El control de la compatibilidad electromagnética (CEM) en los productos diseñados y fabricados por una empresa es una importante responsabilidad de los Directivos. Forma parte de todo el proceso para obtener el Marcado CE de un nuevo producto.
Es muy importante tener en cuenta la compatibilidad electromagnética en todo el proceso de diseño de una nueva máquina, para poder entregarla al mercado en menos tiempo con menores costes, siendo conformes con la Directiva de CEM. Así podremos etiquetar correctamente la nueva máquina con el Marcado CE.
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La responsabilidad sobre el control de la compatibilidad electromagnética (CEM) empieza en concreto a un primer nivel por el Director general. Luego sigue por el Director Técnico, el Director de Calidad, el Director de Compras y el Director de Producción. El Director General, el Director Técnico y el Director de Calidad tienen un rol Directo en el control de la CEM de los productos.
Cualquier equipo o producto electrónico, máquina o instalación que se deba vender en el mercado de la UE debe ser conforme con varias Directivas europeas. Las Directivas mínimas obligatorias son : la Directiva de compatibilidad electromagnética (CEM: 2014/30/UE), la Directiva de baja tensión (LVD: 2014/35/UE), la directiva de materiales prohibidos (ROHS: 2011/65/UE), la directiva de reciclaje (WEEE: 2012/19/UE) y, si además se trata de una máquina, también debe ser conforme con la Directiva de seguridad de máquinas (2006/42/CE). Si además la máquina o equipo incorpora módulos de telecomunicaciones tipo WiFi o Bluetooth, por ejemplo, también debe ser conforme con la Directiva de radiocomunicaciones (RED: 2014/53/UE).
Las instalaciones industriales también están afectadas explícitamente por estas Directivas. Muchas empresas que integran componentes de compra diversos para configurar grandes máquinas con sus correspondientes instalaciones son muy conscientes de que deben cumplir con la Directiva de baja tensión y la Directiva de seguridad de máquinas. Pero un elevado número de estas empresas integradoras no tienen en cuenta la Directiva de compatibilidad electromagnética (CEM). A pesar de no realizar ningún ensayo de CEM se atreven incorrectamente a etiquetar su equipo o máquina con el Marcado CE. Esto es ilegal y pueden incurrir en responsabilidades administrativas y penales.
Para evitar estos problemas de CEM, conviene tener en cuenta los principios básicos de la CEM desde el inicio del desarrollo del nuevo equipo o máquina. Esta prevención inicial permite tener en cuenta las reglas de diseño óptimo de la metodología de CEM, desde que se inicia el desarrollo del nuevo producto. Esta metodología debe incluir revisiones regulares de un experto en CEM (interno o externo) durante el desarrollo del producto, hasta justo antes de llegar a la realización de los ensayos de certificación de CEM y para el Marcado CE.
Algunas empresas se excusan por el tamaño de su máquina debido a que, por peso, volumen o consumo eléctrico dicen el no poder llevar la máquina al laboratorio. La Directiva de CEM explícitamente requiere tener en cuenta los ensayos de CEM en máquinas grandes e instalaciones. Como mínimo se deben realizar medidas de emisiones conducidas y radiadas “in-situ”. Es decir, no es obligatorio llevar la máquina al laboratorio, pero deben realizar las medidas en el lugar de su instalación. Otros fabricantes integradores se excusan con el concepto CE+CE=CE.
El concepto “CE+CE=CE” se trata de una práctica común en el sector de la gran maquinaria, las grandes instalaciones fijas eléctricas y las ingenierías integradoras de grandes sistemas complejos. Se basa en la idea de que, si se compra un número de componentes o aparatos destinados a un sistema, todos ellos marcados CE, el sistema completo formado por estos componentes instalados no necesita ningún trabajo adicional para poder tener el Marcado CE en el conjunto completo de la máquina. Así, se podría declarar conforme con todas las directivas pertinentes de seguridad, baja tensión y compatibilidad electromagnética (las Directivas más críticas).
La práctica ”CE+CE=CE” podría automáticamente aplicar el Marcado CE a la máquina completa. Pero, lo más seguro es que si se realizan los ensayos de CEM, no sea así y la máquina completa no sea conforme y no pueda legalmente etiquetarse con el Marcado CE. Es evidente que, si alguno de los componentes incorporados a la máquina no es conforme y no tiene el Marcado CE, la máquina completa tampoco será conforme y no se podrá etiquetar el Marcado CE.
Atención, esta práctica es totalmente incorrecta en todos los sentidos y no se acepta legalmente. Nunca ha habido ninguna justificación jurídica o técnica para esta práctica, pero esto no ha impedido que sea ampliamente utilizada en todos los niveles de muchas industrias de toda Europa, sobre todo para el cumplimiento de la Directiva de compatibilidad. Las razones principales por las que se ha seguido incorrectamente esta práctica son:
a) “CE+CE ≠ CE” : Si las empresas usan directamente la práctica “CE+CE=CE” consideran, con falsa confianza, que ya cumplen automáticamente la Directiva de CEM.
b) Desconocimiento y falta de profesionalidad : muchas empresas fabricantes de maquinaria o grandes sistemas, por desconocimiento o por falta de profesionalidad, no saben que están obligadas a cumplir también con la Directiva de CEM, además de las Directivas de baja tensión y de seguridad, ROHS y WEEE.
c) Irresponsabilidad y costes altos : muchas empresas fabricantes de maquinaria o grandes sistemas, a pesar de saber que están obligadas a cumplir también con la Directiva de CEM, solo cumplen las Directivas de baja tensión y de seguridad porque consideran, irresponsablemente, que el cumplimiento de la Directiva de CEM es demasiado costoso y creen que no es importante.
d) Complejidad : muchas empresas fabricantes de maquinaria o grandes sistemas, a pesar de saber que están obligadas a cumplir también con la Directiva de CEM, consideran que asegurar su cumplimiento es complejo, no saben como hacerlo, no lo intentan y tampoco piden asesoramiento externo.
e) Menor calidad : El cumplimiento de las Directivas es un factor de mayor calidad para el producto. Si no se cumple la Directiva se obtiene una menor calidad en las máquinas o grandes sistemas.
f) Posibles accidentes : Muchas empresas solo están preocupadas por la seguridad por las posibles consecuencias de accidente en la manipulación de sus máquinas. Erróneamente no consideran que la CEM puede ser también un aspecto que puede afectar a la seguridad. A veces, por desconocimiento, estos problemas de seguridad debidos a la CEM quedan encubiertos por otros efectos.
Si debido a una inspección se comprueba que la máquina o instalación no cumple con alguna Directiva de la UE, la empresa responsable puede ser multada e incluso sus directivos incurrir en responsabilidades penales. La idea ”la compra de buena fe” que ofrece un fabricante, con pruebas suficientes de que se ha cumplido con el deber legal de ser conforme con las Directivas, es insuficiente.
Cualquier máquina o instalación que incorpora tres o más componentes comprados con el Marcado CE y ha sido construida solo con el concepto “CE+CE=CE” tiene casi asegurado su incumplimiento de CEM. En el caso de las emisiones electromagnéticas (EM), los límites de emisiones EM para un componente industrial como un autómata programable, una fuente de alimentación o un inversor de frecuencia son los mismos que los límites para toda la máquina completa.
Un fabricante, para realizar la declaración del Marcado CE, puede seleccionar el procedimiento de conformidad con las directivas de la UE usando la auto certificación. Los productos industriales y domésticos entre otros no requieren una certificación o permiso previo a la entrada en el mercado europeo como ocurre, por ejemplo, con los equipos de electromedicina. En el proceso de auto certificación, el fabricante se hace responsable de asegurar que la declaración de conformidad con las Directivas es correcta. La conformidad se puede asegurar gracias al cumplimiento de las normas correspondientes que afectan a su producto, realizando ensayos en laboratorios que no necesitan la acreditación de ser organismo notificado.
Para poder conseguir un buen resultado en los ensayos de CEM de una máquina o instalación es recomendable tener en cuenta las normas de CEM a cumplir desde el inicio del diseño. Es más rentable en tiempo y dinero hacerlo así y no esperar a que el laboratorio de CEM nos diga que el equipo no pasa el ensayo. Las tres reglas básicas del buen diseño de un equipo electromagnéticamente compatible son:
- El equipo no es susceptible a emisiones de otros equipos cercanos
- El equipo no se causa interferencias a si mismo
- El equipo no causa interferencias a otros equipos cercanos
La única manera de estar seguro de que una instalación es conforme con la Directiva de CEM, es hacer los ensayos correspondientes.
El fabricante tiene cuatro posibilidades:
- No hacer nada, con el riesgo correspondiente (nunca es aconsejable).
- Tratar de cumplir la Directiva de CEM con un bajo perfil técnico y de gastos, generando un documento técnico de construcción justificando porque la instalación es conforme (buena alternativa, sobre todo en instalaciones grandes).
- Realizar todos los ensayos de CEM (es la mejor alternativa)
- Realizar solo los ensayos de emisiones radiadas y conducidas “in-situ” (alternativa aceptable de compromiso)
Aunque han pasado 30 años desde el inicio de la aplicación obligatoria de la primera Directiva de CEM, actualmente, todavía un gran porcentaje de los productos electrónicos no cumplen con los requisitos de compatibilidad electromagnética la primera vez que se ponen a prueba en un laboratorio de CEM. Al mismo tiempo, sigue habiendo dudas en como aplicar la Directiva en función del tipo de producto.
Estadísticamente, la tasa media de fallo en las pruebas de laboratorio es del orden del 50% en su primera vez. Considerando la observación y mejora de los puntos de incumplimiento de las normas en la primera vez, la segunda vez mejora mucho, pero sigue teniendo un 5 o 7% de fallo. En el caso de productos muy complejos o que se diseñan justo al límite del cumplimiento de las normas, la tasa de fallo llega a un 2% en su tercera vez.
Las causas principales por las que sucede esto se pueden resumir en:
- Poco conocimiento de los principios básicos de la compatibilidad electromagnética.
- Fallos en la aplicación de los principios básicos de la compatibilidad electromagnética.
- Aplicación incorrecta de las normas de la compatibilidad electromagnética.
- Impredecibles interacciones entre elementos del equipo.
- Incorporación de módulos de compra que no cumplen las normas de CEM en el equipo final.
- Falta de estrategia clara en la gestión interna de la CEM en la empresa
La metodología para reducir el riesgo de tener problemas de interferencias (EMI) empieza por conocer los requerimientos de CEM antes de empezar el diseño de la máquina o instalación, es decir conociendo la Directiva y las normas de CEM a cumplir. Una vez queda establecido este conocimiento, se debe evaluar cómo las interferencias electromagnéticas (EMI) pueden afectar al diseño de la máquina y a su seguridad.
Después debemos seleccionar correctamente los componentes de máquina a integrar asegurando que, si son de compra, el Marcado CE sea de confianza y no seamos engañados con el marcado tipo “China Export”, por ejemplo. Una buena práctica es realizar unas pruebas de pre-evaluación, sobre todos aquellos componentes de compra de los que no estemos seguros de su conformidad, a pesar de llevar el Marcado CE y finalmente, los ensayos de CEM deben asegurar el cumplimiento de las normas de CEM.
Ante un problema de CEM, debemos saber que siempre habrá como mínimo un generador de interferencias y un receptor de interferencias. Puede haber varios generadores y receptores. Entre ellos siempre habrá como mínimo un mecanismo de acoplamiento.
Los tipos de acoplamiento son cuatro: acoplamiento por conducción a través de los cables, acoplamiento inductivo o de campo magnético, acoplamiento capacitivo o de campo eléctrico y acoplamiento electromagnético o por radiación.
Existen varios aspectos a considerar en el buen diseño de una máquina o instalación teniendo en cuenta la CEM. Un primer aspecto es el de diseñar una buena estructura de masas y tierras. La masa son las partes conductoras que rodean un circuito eléctrico o electrónico. Normalmente el punto de cero voltios está conectado con la masa para evitar corrientes parásitas. El punto de cero voltios es el punto de referencia para todos los potenciales de un circuito. Normalmente este punto se encuentra en el negativo de la fuente de alimentación. La tierra son todas las partes conductoras de construcciones, conectadas eléctricamente con el terreno mediante picas profundas, por seguridad. La estructura de una máquina está conectada obligatoriamente a tierra por seguridad.
Conviene tener un buen mallado de masa formando parte de la estructura de la propia máquina. Es recomendable que todos los cables que conectan los diferentes dispositivos de la máquina se dispongan muy cerca de este mallado o chasis de la máquina.
Esta disposición de los cables reducirá los bucles de masa y con ello aumentará la inmunidad contra las perturbaciones externas. El aumento de la densidad del mallado mejorará la inmunidad contra las perturbaciones conducidas. Si disponemos siempre cada retorno de señal junto a su señal, reduciremos el bucle de masa en relación a esa señal y así aumentaremos la inmunidad contra campos externos.
Todas las partes metálicas de una máquina deben estar conectadas a masa y si es necesario, se debe constituir con ellas un blindaje que proteja las partes sensibles a campos electromagnéticos externos y también evite las emisiones radiadas de partes ruidosas hacia el exterior. Los armarios industriales, debidamente diseñados son un buen blindaje para nuestros equipos internos.
Las perturbaciones que pueden llegar a nuestra máquina desde la red eléctrica pueden afectar su buen funcionamiento y por ello debemos asegurar que su entrada está bien filtrada con adecuados filtros de red. También debemos considerar que la conmutación de cargas inductivas y capacitivas generan perturbaciones, que deberemos tener en cuenta para que no afecten el buen funcionamiento de nuestra máquina.
Los filtros en general, los filtros de red y los filtros de señal atenúan las EMI conducidas y evitan su radiación a través de los cables. Para que las interferencias sean filtrables deben tener una banda de frecuencia diferente de la de la señal útil. Sus aplicaciones son: la atenuación de las EMI en su origen, la reducción de las EMI en las salidas de los equipos y la reducción de las EMI en las entradas de los equipos.
En la instalación de los equipos que integran una máquina se usan cables de distinto tipo que no pueden disponerse ni conectarse de cualquier manera. Lo primero a hacer es clasificar todos los cables, aparte de su construcción, por su sensibilidad y ruido. Hay cuatro clases:
(1) Cables que llevan señales muy sensibles
(2) Cables que transportan señales ligeramente sensibles
(3) Cables que transmiten señales ligeramente ruidosa
(4) Cables portadores de señales fuertemente ruidosas
Una vez clasificados existen unas recomendaciones de distancias mínimas entre las diferentes clases que nos ayudan a realizar una buena disposición de cables en toda la instalación de la máquina. En grandes instalaciones, usualmente se usan bandejas de distribución. Estas bandejas no pueden ser nunca de plástico. Siempre deben ser bandejas metálicas.
También es importante no conectar de cualquier forma cada uno de los cables. Sobre todo, en los cables blindados, sus pantallas deben conectarse en los dos extremos a 360º, sin usar “coletas” (“pigtails”), para no deteriorar sus prestaciones.
Los inversores de frecuencia, muy usados en máquinas para controlar la velocidad de giro de motores, si no se instalan adecuadamente, pueden generar un nivel de interferencias bastante elevado. Los filtros instalados en su salida en función de la longitud del cable que une el inversor de frecuencia y el motor nos ayudan a la reducción de las interferencias. También los cables blindados, adecuadamente seleccionados contribuyen a la reducción de las EMI. Al mismo tiempo, estos filtros de salida bien seleccionados son claves para alargar la vida de los motores conectados a los inversores de frecuencia, al no deteriorar el buen funcionamiento de los rodamientos en el eje del motor.
CONCLUSIONES
La conclusión es que, si tenemos en cuenta la compatibilidad electromagnética en todo el proceso de diseño de una nueva máquina, podremos entregarla al mercado en menos tiempo con menores costes, siendo conformes con la Directiva de CEM. Así podremos etiquetar correctamente la nueva máquina con el Marcado CE.
Más información: info@leedeo.es , contacto@cemdal.com
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