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干渉の事例
1970年台、当時の人工雑音は主に自動車からの点火雑音に伴うものであった。
これは、時には通信システムの性能に悪影響を与えるのに充分に高い [7]、
電子機器の使用に伴う人工雑音 [6] へと変化した。
既存のラジオ受信機のほとんどは白色ガウス雑音の重畳に対して設計されており、 その性能は他のシナリオ、例えばインパルス性雑音に曝された時には劣化するかも知れない [9]。 田園環境においては人工雑音は白色ガウス雑音として近似できるが、 都市や準郊外の環境においては人工雑音は往々にしてインパルス性雑音となる。 デジタル通信システムについては、所望の受信信号の平均電力が充分に高い限り、 白色ガウス雑音は大きな問題とはならない。
それぞれのパルスがビット・エラーのバーストと同期の喪失を引き起こし得るので、 インパルス性雑音はデジタル通信にとって有害である。 人工雑音の過小評価の極端な例の１つは German Toll プロジェクト [15, 16] である。 産業地域と都心部での GPS 受信機への干渉に伴って数十億ユーロが失われ、 システムは再設計されねばならず、(通行料金の) 収入なしでの長い遅れが引き起こされた。
鍵となるもう１つの問題は、古典的な干渉の事例である。 これは、Figure 4 と 5 に示すように、 建物の屋上に置かれたアンテナで受信される所望の信号に干渉する、 路上や近隣のノイズ源を仮定する。
我々の現代的な生活環境では、 ワイヤレス通信システムを含む多くの電子システムが用いられている。 特に輸送セクタにおいては、大型船舶のワイヤレス船橋制御システムから次世代の旅客機に到る ワイヤレス制御システムの激増を見ることができる。 多くのシステムが半閉鎖環境に詰め込まれている、この干渉の事例は、 ほとんどの規格で考慮されていない。 工業生産プラントにおいては既に多くのワイヤレス・システムが用いられており、 433MHz 帯のワイヤレス・データ通信の妨害のような、 多くの干渉問題が解決されなければならない。
欧州委員会規格
例として、EN 55015 は電気照明や類似の機器のための製品群規格である。
カバーされる周波数範囲は 9kHz から 400GHz であるが、
1996年版は 30MHz 以上の放射エミッションに対する要求を含まない。
スウェーデン当局は、電子変圧器で給電されるハロゲン照明セットの一部が
EN 55015 でカバーされていない周波数で放射エミッションを引き起こすことに気付いた [19]。
彼らがそれを一般規格に対して試験した時、
その装置は 30.72MHz で 30dB から 31dB その限度を超え、
その妨害レベルが 50MHz まで延びていることを見出した。
EN 55015 は更新され、今は 300MHz までの要求を含む [20]。
周波数変換器の製造業者には一般規格を満足させる上での困難があり、 同じトリックを用いた： 彼らは可変速電力駆動システム (PDS) の EMC についての IEC 61800-3 と EN 61800-3 を策定した [21]。 ある周波数範囲を除く代わりに、カテゴリ全体が除外された。 この規格には、「PDS がカテゴリ C1 の限度に適合しない時、 使用指示書に以下の警告が含まれていなければならない： 居住用環境においては、この製品は無線干渉を引き起こすかも知れず、 その場合には追加の緩和手段が必要となる」と書かれている。 そのような製品は居住用環境以外の環境では干渉を生じないのだろうか？ カテゴリ C2 の機器に対しては、「情報の要求」が追加された： 「もし PDS がカテゴリ C1 か C2 の限度に適合しないならば、 使用指示書に次のように言明する警告が含められなければならない： このタイプの PDS は居住用施設に給電される低圧公共配電網での使用は意図されていない； もしそのような網で用いられたならば無線周波干渉が予期される。 製造業者は、推奨される緩和用デバイスを含めて、 設置と使用に関するガイドを用意しなければならない。」 我々は推奨の緩和用デバイスをある製造業者に尋ねた。 その答えは、そのようなフィルタは存在しないというものであった... あるケースでは、ある PDS の、この場合は伝導性エミッションの測定結果を要求した。 数ヶ月後、そして幾度も要求を繰り返した後で、 規格に適合する、45dBμV の総エミッション・レベルを示すデータを受け取った。 だが、その機器は干渉問題を生じ、我々は測定を行なった。 そのエミッション・レベルは、 一般規格の限度を 75dB、製造業者が示したレベルを 85dB 超える 130dBμV であった。 この大きな差に直面した時、製造業者は6ヶ月返事をせず、 最終的に、間違って誤ったデータを送ったと返事をした... その PDS は、実際にはエミッション・レベルが制限されていないことを意味する、 C2 タイプのもののようであった。 EN 61800-3 は整合規格であるので、 130dBμV を超える伝導性エミッションを生じる機器についてさえも、 EMC 指令 [17] への適合の推定は存在し、従って CE マークを付けられる。 だが、このアプローチは指令の必須要求と一致しているだろうか？
欧州 EMC 指令
EMC 指令が法律であることを技術者に説明するためには法律家が必要かも知れない。
そして、その法律は必須要求を述べる。
整合規格は必須要求への適合の推定を宣言するために有用なだけである。
EN 55015 のように周波数範囲を除外する、あるいは IEC 61800-3 のように実質的に無制限のエミッション・レベルを許容する整合規格の作成は、 この面では有用ではない。
だが、Figure 2 に示すように、 これらの照明や PDS システムは我々の生活環境に大量に持ち込まれ、 非常に高いノイズ・レベルを引き起こしている。
この問題への関心を引くためには裁判事件が非常に有用である。 だが、ほとんどの国家当局は適切な市場調査を行なうための充分な手段を持たず、 ほとんどは苦情ベースのみで動いている。 良い例の１つは、薄型テレビ・セットが 3.6MHz 前後の HF 無線帯で干渉を引き起こしていたドイツでの事例である [23]。 ドイツの国家当局はその干渉を調べて確認し、 テレビの所有者は今後はそのテレビのスイッチを入れることは許されず、 スイッチを入れたならば法律への違反のために罰金を科されるであろうと結論した。 テレビの供給者は認定試験所で EMC 測定をやり直し、 テレビが整合製品規格を満足していたことが示された。 だが、これらの規格は HF 帯の伝導性エミッションのみを考慮し、 放射性エミッションは考慮していない。 そのテレビ・セットは整合製品規格の要求を満足するが、 EMC 指令で述べられている必須要求は満足していない。 だが、法定で供給者と争う代わりに、 国家当局は消費者にテレビのスイッチを切るように頼むことで容易な道を選んだ。
結論
人工雑音はここ数十年で変化した。
自動車の点火からの雑音は減ったが、
従来の範囲外で電気／電子機器が発生する人工雑音は増加した。
半ば囲い込まれた生活環境内では、人工雑音は、
ITU-R P.372 で述べられた自由空間雑音レベルよりも 20dB、時には 40dB 以上高くなる。
これらの環境に、古い人工雑音レベルを仮定した新しいサービスを導入したならば、
深刻なリンク問題が生じる：
新たなサービスが導入された後の EMI の多くの例が報告されている。
高い人工雑音の主な原因は、 伝統的な干渉のケースが現在の電磁両立性規格の基礎となり、 これは半ば囲い込まれた環境で動作するワイヤレス通信システムを考慮していないことである。 結果として、産業環境のための規格での高いエミッション・レベルが許容されてきた。 より重要な問題は、多くの人々による欧州 EMC 指令の誤った理解である。 ニューアプローチ EMC 指令は必須要求を述べる。 整合規格への適合は、指令への適合の推定というだけである。 だが、不誠実な整合規格は我々の生活環境の人工雑音の大きな増加をもたらし、 多くの EMI 問題をもたらしている。
(Extracted from: "Gaps in the Application of the EMC Directive
Due to Inadequate Harmonized Product Standards",
by Frank Leferink, Technical Authority EMC THALES Netherlands;
Full-professor EMC, University of Twente, The Netherlands;
published in the IEEE EMC Society's Newsletter, Summer 2010 Issue,
free from www.ewh.ieee.org/soc/emcs/acstrial/newsletters/summer10/PP_Gaps.pdf.)
(編集者註 ――
IEC 61800-3 が最初に EMC 指令のもとでリストされた時、
European Community Association of EMC Competent Bodies (ECACB) は、
それが EMC 指令の必須要求への適合を確かとすることが全くできないことから、
それをリストから削除することを勧告した。
欧州委員会は単に EMC 指令のもとで役立ちそうな規格を採用してきたが、
IEC 61800-3 の採用に対する ECACB の批判の後、
そのような過ちを将来犯さないようにするために EMC コンサルタントを任命した。
ある EC EMC コンサルタントが
それが指令の必須要求への適合を確かとしないという (完璧に合理的な) 理由で
鉄道産業の製品 EMC 規格、EN 50121 シリーズの採択を何年も妨げていたが、
その任期切れでの交替の後すぐに採択されることとなったので、
これが充分な反応であったかどうかは疑問がある。)
IEC EMC 諮問委員会 (ACEC) は、 2kHz〜150kHz の周波数範囲のためのエミッションとイミュニティの規格の策定を求められている。 電気の使用の大幅な変化、 特にここ数十年のあいだに出現した現代的な電子機器のために、 そして整合規格でカバーされる現在の周波数範囲よりも上、150kHz までの 電圧成分の発生の増加のためにこれが必要であると主張されている。
この惑星を温暖化から救うのを (そして販売の増加を) 助けるために、 多くの製造業者が、ダイレクト・オン・ライン電動機の、 典型的な年内平均消費電力が低くなる可変速電動機駆動での置き換えを推進している。 (上のバナナの皮 No.614 の、 電動機駆動のためのエミッション規格 IEC 61800-3 に対する否定的なコメントに注意！)
入手可能な技術的情報は少なく、 規格の完全なセットを確立できるようになる前に予備調査が必要であることが認められている。 だが、CIGRE (国際大電力システム会議) からの関係する情報が期待されている。
(For more information, see: "EMC Standards in the [2-150] kHz range" by H Rochereau, November 2010, a document submitted to the ACEC meeting in Austin, TX. A preliminary list of standards, with their limitations or "under consideration" clauses, is given in an Annex to this document.)
2010年4月の CENELEC レポートは、 データ通信のために PLC (電力線通信) を用いた自動検針 (スマート・メータリング) システムと、 タッチ調光ランプ、台所用や衛星用の器具のような多数の消費者用デバイスとのあいだの 相互作用によって引き起こされた EMI をハイライトした。
いくつかの国での顧客の苦情に対する調査の試験結果から識別できる、 その電磁相互作用メカニズムを同定し、 基本的に、現在は、製品規格 (例えば IEC EN 55014) のいずれも 2kHz〜150kHz の範囲の低周波電磁妨害の影響に対するイミュニティ試験を含まないので、 全ての CE 適合機器がそのような EMC 現象に影響され得ると言う。
それは、危険に曝されている機器は、 例えばセンサー・ボタン、モーション・ディテクタなどのために低い反復率のパルスを用いる、 あるいは検出する回路を用いるタイプの機器となりそうであると言う。 低い電流レベルと高いインピーダンスを持つそのような回路を用いる機器は、 特に酷く影響を受ける (例えばタッチ調光ランプ)。
最近の PLC (電力線通信) を用いた自動検針 (スマート・メータリング) システムの使用の増加が 「EMC の風景の中の氷山の先端」を目に見えるようにしているようである。 その報告は、一般に、PLC と似た周波数の電圧を発生する PLC 以外の機器が、 これまで顧客の苦情に基づいて認定 EMC 試験所で検査されたもの以外のタイプの機器に 同様の EMI 問題を引き起こすかも知れないことを仮定すべきであると言う。
(For a great deal more detailed information, see the CENELEC document: "Study Report from the SC205A Task Force on EMI between Electrical Equipment/Systems in the Frequency Range below 150 kHz (SC205A/Sec0260/R), April 2010")
最近の CISPR 小委員会 H のある文書は、 消費者／産業向けの制御／通信技術の持続的な発展が、 現在、CISPR 勧告が伝導エミッションに対する限度のみを与えている 150kHz〜30MHz についての放射エミッション限度の策定をさらに望ましくしていると言う。
その文書は、この周波数帯について伝導限度のみを持つというアプローチはこれまでは充分であったが、 最近の発展は、 伝導エミッション限度そのものが適切であるという考えのもとにある仮定の一部の有効性についての、 無線通信サービスの使用者からの懸念をもたらしていると言う。
(For full information, refer to: "Development of Radiated Emission Limits", CISPR subcommittee H document reference, CISPR/H/308/INF, 17 September 2010, marked: "For IEC use only".)
ある新しい洋上原油採掘リグは建造に5億米ドルを要した。 それは2つの EMC 問題を生じ、その1つは大きな強力なクレーンが制御を外れ、 実際の安全上のハザードを引き起こすというものであった。 採掘を行なえないままの4ヶ月の後、その問題を直すために我々が呼ばれた。 双方の問題が解決された後で、リグの製造業者は、 5400万米ドルと見積もられた、その問題の実際のコストに直面した。
その製造業者は、我々が望んだようにその問題を原因から解決する代わりに、 最も明白な問題を除去するだけの「手早くて汚い」手法を用いるように我々を制約した。 採油事業体は急ぐように求めて待ち、関心が薄れたならば、 次の災厄 (あるいは次のもの) まで全てを埋める。
そのリグの多くは、依然として、クレーンのための 700kW ドライブを含む 可変速モータ・ドライブのどれにも主電源フィルタがないことによって引き起こされる 同相電圧雑音の力全てを受けている。 リグの製造業者はそれまでに類似の洋上採掘リグをいくつか作っており、 「それらは不要であった」 (彼らはそう言った) ので主電源フィルタを取り付けたことはなく、 そのコストを節約した。 そう、そのような悪い工学的コスト節約の決定全てと同様、 それは節約したよりもかなり大きなコストを要する結果となった。
(A contribution in December 2010 from a verified source, who wishes to remain anonymous. The Editor is aware of many such costly incidents, some much more expensive, in almost every kind of electronics application, only some of which have been published in Banana Skins, or ever will be, because most of the people concerned are worried that even a "no names" anonymous contribution will somehow be traced back to them. A great deal of money is being wasted, because ordinary designers are not aware that such costly problems can occur, until they experience them first-hand!)
CERN は統一的な EMC ポリシーや EMC コンピテンスの中核を持たない。
だが、様々なローカルな試みがある： 大型ハドロン・コライダー (LHC; だが全てのユニットではない)、 大規模実験 (例えば ATLAS と CMS)、 インフラストラクチャ (法的要求と信頼性の向上の必要性のため)。
CERN は驚くほどのコンピテンスを持つ： 少なくとも部分的な EMC の知識を持つ28人の科学者。 だが、CERN は、コンサルティング、トレーニング、問題追跡、 そして証明のために、EMC ファームを呼ぶ。 その経験は混合的なものである ―― それは完全に無用なものから非常に有効なものにわたる。
ATLAS プロジェクトは、 最初は分離と一点接地に基づく「伝統的」な電子工学アプローチを用い、 これは多くの機能的問題をもたらした。 イミュニティ要求はなく、ノイズ発生の限度はなく、ケーブルの引き回しのルールはなかった。
後に、より組織化された EMC ポリシーの一部として、 イミュニティ検証を含むより組織化されたアプローチが導入された。
成功： CMS 電磁カロリーメータ
このシステムは5桁の範囲で高分解能で作動する。
システムの欠陥が初期段階で検出されて修正され、
製作全体でイミュニティ試験が用いられた。
それは、重要な部分への給電のためのほぼトランジェントのないシステムを可能とするための、
非常に大きな UPS を持つ。
CMS チームは良い EMC 測定器と高いレベルの EMC の知識を持つ人を持っていた。
そのプロジェクトは、起こり得る EMC 問題の予見のために、 安全なレイアウト (配電と接地)、そして 「エミッション」と「イミュニティ」のレベルの同定に基づく EMC 計画を採用した。 試験は、9kHz〜100MHz の RF 伝導ノイズ同相／差動エミッション (EN 55011 と 55022)、 そして主電源高調波エミッション (EN 61000-3-2) を含んだ。 イミュニティ試験は、RF 伝導ノイズ (EN 61000-4-6)、 高速トランジェント・バースト (EN 61000-4-4)、サージ (EN 61000-4-5)、 電源ディップ、短時間停電、そして電圧変動イミュニティ試験 (EN 61000-4-11) を含んだ。
CMS EMC プランの結果には、全てのシステムに対する EMC ゴースト・パーティクル・スレッショルドの確立が含まれた。 我々はイミュニティと良い遮蔽 (シールド) をかなり強調した。 我々は良い点のない高価なソリューションを避けようとしたが、 依然として無用な絶縁変圧器、無用な分離、使用されていないケーブル遮蔽 (!!)、 そして多過ぎる安定化ステージがあった。 あらゆるところにグランド・ループを見る「分離主義者」との幾多の戦いがあった。 最悪のグループの最後は、 ライトが切られている時でさえもチャンバーのトリガを引き起こした、 オープンのケーブル遮蔽であった。
偽トリガを消し去るために信号処理が用いられた。 ほとんどのノイズに対して、 我々は良い方針、あるいは解消手段のいずれかを見出した。
我々は敏感でないシステム経路を介したグランド・ループに出会った。 高い詰め込み密度のため、ほとんどのケーブルは 「中間的」なノイズ・イミュニティを与える金属面に極度に近く引かれた。 我々は際限のないイミュニティ試験を行ない、様々に驚かされた。 最大の驚き： 高速トランジェント発生器を用いてバイアス電圧接続のイミュニティを確認している時、 プリアンプが 40MHz で 330nA (!!) のコモン・モード電流で破壊された ―― 分圧器の RC チェーンが予想外の 40MHz での共振を生じていた。
CMS 無停電電源システム (UPS) は、 バッテリーが持つあいだその主電源に微小な遮断や停電のないことを確かとする、 ±0.5% 以内の定常状態安定度を持つトランジェントのない 1.5MVA の電源を与える。
成功： LHC エネルギー変換システムは、 最大レベルのトランジェントと広帯域ノイズに対するイミュニティについて試験され、 若干のシステム変更だけを必要とした。
失敗： UPS ノイズでのビーム変調
EMC 科学と 9kHz からの適合性を用いて、産業界の支援のもとに EMC 規格が策定された。
9kHz よりも低い周波数は電源周波数とその高調波として扱われた。
だが、UPS はスイッチング・ノイズを発生し、
我々はその基本周波数が 8kHz
(該当するエミッション規格で測定される周波数範囲よりも下!)
に設定されていることを見出した。
それは LHC のビームを変調するほど強い。
それは電力変換器も混乱させる。
この細部は我々の注意から完全に逃れていた。
1000馬力コンプレッサ ―― 非常停止安全ループの故障
冷却水の不足のため、いくつかのインターロックが
3kV 高圧電動機で駆動される1000馬力コンプレッサを止めるように開いた。
非常停止ボタンを含む全てのインターロックがコンプレッサの停止に失敗した。
理由： その安全ループは、遠隔制御室まで、
その制御内の複数の箇所が開かれているにもかかわらず
緊急用リレーを励起したままとするのに充分な磁界を拾い上げるケーブルを介して延ばされていた。
失敗： ビーム・キッカー・コンセプト
そのキッカーはコンデンサ・バンクからの放電を受けるトランジェント・マグネットを用いる。
そのシステム・レイアウトは数 kA のトランジェント電流の帰路としてグランドを用いる。
結果的な共通グランド干渉から他のシステム全てを保護するのは非常に困難であり、
一時的にシステム障害を起こしていた。
結論： CERN の成功と失敗から ITER は何を学べるか？
CERN は EMC と EMC サービス・プロバイダに対応する方法を学んだ。 組織内のコンピテンスが必要である ―― 臨界量はおよそ5人である。 CERN の経験は独立したもので、独自の手法とアプローチを開発する。 良い EMC ソリューションはシステムの包括的な理解を必要とする。
EMC は「目に見えない回路」の科学である ―― 目に見える (意図された)、そして目に見えない (意図されない) 回路は、 共にシステムの性能を決定する。
グランド・ループは良いものである！ 全てのコモン・モード電流は戻るためにグランドを必要とする。 さもなくば、それは容量性の経路を用いる。 可能な限り多くのグランド・ループを持つ。 ノイジーなグランドを敏感でない部分に引く。 EMC の回路図を書いてシミュレートする。 決してノイズ低減のために (一点) 接地に頼らない。 誰か他の人もそれを使うかも知れない... グランドは全てを飲み込むわけではない！ 遮蔽 (シールド) はその周波数範囲に適応させる必要がある。 鉄は良い損失性遮蔽である (そして溶接しやすい)。
ケーブル遮蔽は kHz の電流に対しては役に立たず、 誘導 (連続性とトランジェントの) を受ける。 全く別の方法、例えばフィルタによって、遮蔽の連続性を達成しなければならない。
EMC 規格： EMC は良いセールスマンを持つビッグ・ビジネスである。 EMC 規格はアイデアを与えるが、ソリューションをではない ―― それらは実際のニーズに対して確認する必要があり、 自らのものを確立することを強いられ得る。 どの場合にも： 脅威をイミュニティに合わせる。
周波数ドメインとソフトウェアのソリューションは、 望まれないものを相殺するための信号処理を含む。 同相と差動の変換への対処は難しい。 コンピュータ・シミュレーションと要員に大きな尽力が必要である。
非常に厄介： クロックを攻撃するノイズ ―― 失われたクロック信号を置き換えるソフトウェアはない。
(Developed from a presentation entitled "EMC at CERN" by Fritz Szoncso (CERN SC) at the ITER Workshop on Earthing and EMC, held at Cadarouche, France, November 30 and December 1 2010. Fritz acknowledged the assistance of Fernando Arteche (CERN PH) Claudio Rivetta (FNAL).)
11月の試験が「M8 型車両の電磁界が信号機器に干渉するという問題」を示したために Metro-North Railroad New Haven Line への 新しい川崎重工業 M8 型通勤鉄道車両の導入の計画が後戻りさせられたと、 先週末、New Haven Register が報道した。
New Haven Register の記事は、 コネチカット輸送委員の Jeffrey A. Parker の発言を引用した： 「その電磁界が列車上の信号機器と線路脇の信号機器のいずれかに影響している。」 CTPost の記事は、さらに、 列車の動力システムが干渉の原因であったと Parker 委員が語ったと報告する。
この前の金曜の London Telegraph は、 新しい 4G 携帯電話の導入が UK の鉄道の安全上のリスクをもたらし得るという警告として、 鉄道輸送グループの委員長の Load Berkeley の発言を引用した。 Load Berkeley は、携帯電話運用事業者に対して 無線スペクトラムの高い方のメガヘルツの領域のオークションを認める、 暫定的に承認された UK 政府の計画に関する議論の中で述べた。
Lord Berkeley は、オークションが考えられているスペクトラムは、 最近導入された UK 鉄道のデジタル無線システムが用いているものに 「非常に近い」ものであったと言った。
それは、列車と鉄道システムとの潜在的な携帯電話干渉を封じ込め除去するために、 鉄道会社に1億ポンドまでを費させることだったろう、と Lord Berkeley は言った。 そのような封じ込めなしでは、 「(鉄道の) 安全と運用の深刻な問題」の明らかな可能性があった。
(From: "Electromagnetic Field Problem Delays Rollout of New Commuter Railcars", posted by Robert Charette, Monday, December 20, 2010, IEEE Spectrum, http://spectrum.ieee.org/riskfactor/green-tech/mass-transit/electromagnetic-field-problem-delays-rollout-of-new-commuter-railcars-)
これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。
Last update: 2011-03-24