Váení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, e na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, e ukázka má slouit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, e není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále íøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura
[email protected]
5
RUIVÉ VLIVY PØI PROVOZU HDO A JEJICH OSTRAÒOVÁNÍ
Pøedpokládáme-li spolehlivou vlastní èinnost vysílaèù a pøijímaèù, ohroují bezpeènost provozu jen ruivé vlivy ze strany sítì, které je moné rozdìlit v zásadì do dvou skupin. První skupinu tvoøí poruchy na pøenosové cestì, které zároveò pùsobí ruivì i na pøenos energie se síovou frekvencí (mechanické pøeruení vedení, zkraty, pøímý zásah bleskem atd.). Druhá skupina, pro tuto úvahu dùleitìjí, v sobì zahrnuje ruivé vlivy pùsobící jen na zaøízení HDO a vznikající normálním provozem silnoproudé sítì. Poruchy takto vzniklé nemohou být odstraòovány omezováním normálního provozu, nýbr je nutné, abychom tyto ruivé jevy znali a snaili se jejich úèinkùm buï vyhnout, nebo je vhodnými prostøedky potlaèit tak, aby parazitnì nezasahovaly do bezpeènosti provozu zaøízení HDO.
5.1
KRÁTKODOBÁ PARAZITNÍ NAPÌTÍ
Krátkodobá parazitní napìtí mohou být zpùsobena pøechodovými jevy pøi zapínání a vypínání velkých spotøebièù (hlavnì kompenzaèních kondenzátorù). Mùe to vak být i jiskøení (výboje), napø. na závìsech trolejového vedení elektrických drah, které obsahuje zcela nedefinovatelné spektrum ruivých frekvencí. Mezi dalí pøíèiny mùeme zapoèítat i pùsobení atmosférické elektøiny, popø. nìkterých jiných krátkodobých jevù. Pozorujme nyní blíe vznik parazitního napìtí pøi zapnutí kompenzaèních kondenzátorù na sí. Proudy a napìtí na kondenzátoru jsou ustálené a pøechodné. Ustálený proud závisí pouze na stálých konstantách pøipojeného obvodu a jeho kmitoèet je totoný s kmitoètem sítì, který oznaèíme f50. Pøechodný proud o kmitoètu fx, který je urèen vlastní rezonanèní frekvencí obvodu a bývá nìkolikanásobkem síové frekvence, se exponenciálnì zmenuje v závislosti na èasové konstantì obvodu. Poèáteèní amplituda závisí na okamiku pøipojení kondenzátoru na sí vzhledem k fázi síového napìtí. Nejhorí pøípad nastane tehdy, je-li kondenzátor zapnut v okamiku maximálního napìtí. Oznaèíme-li klidový ustálený proud I50, pak proudový náraz je
,
56
I[ I
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
A
z èeho plyne, e maximální proud èiní I ± » L PD[ = ªª + [ ²², I Õ ½
(64)
Pøechodná sloka napìtí má amplitudu rovnou amplitudì ustálené sloky U50, take maximální napìtí je (65)
X PD[ = 8
Optimální pomìry nastanou tehdy, jestlie je kondenzátor zapnut v okamiku nulového napìtí síové frekvence. Amplituda proudu pøechodné sloky má stejnou velikost jako amplituda ustálené sloky proudu, take (pøi velké èasové konstantì obvodu) je
L PD[ = ,
(66)
Amplituda pøechodného napìtí na kondenzátoru bude 8
I I[
a maximální napìtí bude I » X PD[ = ªª + I[ ½
± ²²8 Õ
(67)
Pøi provozu se pøechodné proudy a napìtí pohybují mezi tìmito krajními hodnotami. U kompenzaèních kondenzátorù blokovaných zádremi jsou pomìry jetì komplikovanìjí. Amplitudy ruivých napìtí vznikající spínacími pochody a zmìnami zatíení jsou podle okolností rozprostøeny v celé frekvenèní oblasti uité pro ovládání a jejich velikost mùe dosahovat citlivosti pøijímaèù. Zpravidla jde o krátkodobé impulzy, nebo skupiny impulzù, jejich napìtí mohou dosáhnout a nìkolika desítek voltù. Tyto ruivé impulzy vstupní obvod obvykle indikuje. Necitlivosti vstupního obvodu vùèi tìmto vlivùm se dosahuje rùznými zpùsoby.
A
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
57
5.2
PARAZITNÍ NAPÌTÍ TRVALÉHO RÁZU
Pøíèinou tìchto ruivých napìtí je deformace sinusového prùbìhu køivky síového napìtí a mohou je vyvolávat vechny elektrické stroje. Pøitom se v síti objevují nespojitá spektra vyích harmonických síové frekvence. Velké synchronní generátory ve vìtinì pøípadù vyí harmonické témìø neprodukují. Vyskytnou-li se výjimeènì, lze je vhodnou úpravou potlaèit. Horí situace je vak u malých a zvlátì pomalobìných generátorù, které do sítì dodávají hlavnì 5.; 7.; 11.; a 13. harmonickou síového kmitoètu. Dalími zdroji harmonických jsou elektrické pece a polovodièové usmìròovaèe. U transformátorù napájejících usmìròovaèe je celkový prùbìh proudu stupòovitý, pøièem vzniká øada harmonických. Je-li poèet fází usmìròovaèe y, pak mùeme urèit vzniklé harmonické podle vztahu
K = P \
(68)
kde m je libovolné celé kladné èíslo. Velikost amplitudy jejich proudu urèíme pøiblinì podle dalího vztahu ,K =
, K
(69)
kde I50 je velikost proudu základní harmonické. Ruivé spektrum vyích harmonických od trojfázových usmìròovaèù má pøiblinì hyperbolický prùbìh amplitud v závislosti na frekvenci, vyjímaje tøetí harmonickou a její násobky. Deformace síové køivky v urèitém místì závisí na zatíení usmìròovaèe, na kvalitì polovodièových prvkù a na vzdálenosti od nich. Poslední velkou skupinou produkující vyí harmonické jsou vechny elektrické stroje se elezným obvodem, které odebírají ze sítì magnetizaèní proud, jeho prùbìh není sinusový. Do této skupiny je moné zaøadit transformátory, asynchronní motory, tlumivky apod. V tomto spektru se vyskytují liché harmonické (3., 5., 7., 9., 11., 13., 17., 19. atd.). Zapojením spotøebièe do trojúhelníka je vak moné odstranit tøetí harmonickou a její celistvé násobky. Z uvedeného je vidìt, e nejvìtí amplitudy mají kromì základní harmonické také 5., 7., 11., 13., 17., 19., 23., 25. a 29. harmonická síového kmitoètu. Rozborem u asynchronních motorù se zjistilo, e rozdìlením vinutí do dráek vzniká pøi otáèení rotoru kolísání impedance motoru, které má za
58
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
A
následek vznik vyích harmonických. Jejich frekvence závisí na otáèkách motoru a na poètu dráek rotoru. Je-li motor pøipojen pøes delí napájecí vedení (hlavnì venkovní), pak mùe vzniknout ruivý signál o amplitudì i nìkolik voltù. Proud vyích harmonických Ih vykazuje ve vodièi vedení úbytek napìtí 8 K = w K /, K
(70)
Jestlie citlivost pøijímaèe je U min, pak nutnì platí, e U h < Umin. Uvaujeme-li zdánlivý výkon motoru N50 pøi jmenovitém napìtí U50 a proudu I50, pak
1 = 8 ,
(71)
a vztáhneme-li Ih na I50, pak
8 8 ,K § PLQ , 1 w K /
(72)
Za pøedpokladu, e venkovní vedení má L = 1,05 mH.km-1, vedení je dlouhé 2 km a U50 = 380 V, dostaneme
, ,K 8 § PLQ a pro fh = 1000 Hz a motor 10 kVA je K § , , 1IK Proto v obdobných pøípadech, kde by se pøestoupila z tìchto pøíèin citlivost pøijímaèù, je nutné zdroj vyích harmonických blokovat. Aèkoli z tøífázového synchronního nebo asynchronního motoru nemùe vzniknout frekvence napø. 1050 Hz, pøesto mùe zpùsobit ruivé napìtí, které pøestoupí hranici citlivosti pøijímaèe. Nejblií frekvence která se mùe objevit, je 1150 Hz; ta se vak pøi zatíení sniuje úmìrnì se skluzem. Pøi pøetíení asynchronního motoru mùe frekvence klesnout a na 1100 Hz pøi souèasném nárùstu napájecího proudu a pøi omezené selektivitì pøijímaèe pak mùe dojít k jeho nábìhu. Jetì horí vak je, e se pøi rozbìhu motoru objeví zmìnou otáèek celé spektrum frekvencí a tyto nemají ruivý vliv jen pøi dostateènì rychlém rozbìhu. Rovnì pøi pøepínání motoru pøepínaèem hvìzda-trojúhelník se mùe velmi ruivì projevit frekvence 850 Hz. Stejné obtíe mohou nastat i u kroukových motorù
A
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
59
s regulací otáèek. Bliím zkoumáním bylo zjitìno, e problém proudù vyích harmonických je identický s parazitními synchronními toèivými momenty. Dolo se k následujícím závìrùm: 1. Optimální zeikmení dráek v rotoru nebo statoru je závislé na poètu dráek, na kroku vinutí a na poètu pólpárù. Nejvìtí synchronní moment, a tím i nejvìtí hodnota vyích harmonických vzniká pøi rozdílu poètu dráek (d1 d2) = 2pp. Zde i malé výrobní odchylky mají znaèný význam. 2. Zmìnou kroku cívek se mùe nìkdy dosáhnout velkých zlepení, hlavnì pro urèitou frekvenci (je ekonomicky výhodnìjí ne zmìna poètu dráek nebo zeikmení). 3. Nìkdy místo jednotlivých cívek je vhodné volit skupiny cívek s odstupòovaným poètem drátù. Faktor vinutí pro základní harmonickou se mìní jen nepatrnì, kdeto pro vyí harmonické znaènì. 4. Paralelní vìtve vinutí mají vliv, jen kdy rozdíl poètu dráek (d1 d2) ¹ ¹ 2pp, 4pp, 6pp ... a mohou tedy výskyt vyích harmonických znaènì zvìtit. 5. Zapojení do hvìzdy zvìtuje vyí harmonické. 6. Sycení eleza má znaèný vliv a pøi jeho pøesycení vznikají nové vyí harmonické. Vyí harmonické vzniknou, kdy je splnìna podmínka (d1 d2) = 2pp, 4pp. 7. Excentricita rotoru nemá podstatný vliv na vyí harmonické. 8. Zlomení tyèe v kleci rotoru nemá podstatný vliv. 9. Zvlátì nevýhodné pomìry jsou u motorù s promìnným poètem pólù, u motoru s malým výkonem a s vysokým poètem pólpárù. 10. U normálních obchodních motorù se musí poèítat se síovými proudy vyích harmonických 2 a 4 % I50. Neádoucí vliv vyích harmonických by se mìl projevit teprve tehdy, kdyby si výkon vysílacího zaøízení vyádal vìtí citlivosti pøijímaèe a nebylo by moné se vùèi ruivým vlivùm bránit sníením jeho citlivosti. V mnoha pøípadech se dá ovem vyhnout nepøíznivému vlivu vyích harmonických i volbou vhodné signální frekvence.
60
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
A
5.3
REZONANÈNÍ VLIVY
Mezi nejnepøíjemnìjí, nìkdy krátkodobé, jindy dlouhodobé ruivé vlivy patøí jevy rezonanèní. Jak ji bylo uvedeno, mohou vzniknout vude tam, kde se vyskytuje souèasnì indukènost i kapacita, tedy prakticky v celé síti. Pravdìpodobnost markantních jevù je tím mení, èím ménì je sí rozlehlá, èím ménì kapacit obsahuje (hlavnì kabelù), èím je signální frekvence nií a èím více je sí ohmicky zatíena. Protoe se konfigurace sítì bìhem dne mìní a s ní se mìní i odbìr, mùeme oèekávat bìhem dne nejen monosti výskytu rezonanèních jevù (zmìna velikosti kompenzaèních kondenzátorových baterií, zmìna velikosti propojení kabelové sitì), ale i zmìny ve velikosti vzrùstu, resp. poklesu signálního napìtí ovlivnìném velikostí ohmického zatíení. I kdy se podmínky HDO pøed jeho zavedením zkoumají, vechny moné pøípady není moné postihnout. Vyskytnou-li se pak za provozu (a s tím se musí vdy poèítat), je tøeba pøíèinu rezonance zjistit a odstranit. K tomuto úèelu se pouívá speciálních mìøících pøístrojù a mìøících souprav. Vzniká-li rezonance v kompenzaèních kondenzátorech umístìných pøímo v síti vn a nn, pak je tøeba je pøi sériové rezonanci zablokovat vhodnými zádremi. Nìkdy zase naopak je tøeba pøi paralelní rezonanci kapacitu pøíslunì zvìtit, a tím rezonanèní frekvenci daného úseku sníit natolik, aby byla pro danou signální frekvenci dostateènì odliná.
5.4
OMEZENÍ RUIVÝCH VLIVÙ BLOKOVÁNÍM KOMPENZAÈNÍCH KONDENZÁTORÙ
Jak je veobecnì známé, je nutné z hlediska dosaení co nejlepího úèiníku nasazovat do sítì kompenzaèní kondenzátory vude tam, kde se vyskytuje velké induktivní zatíení. Jedná se hlavnì o motorické zátìe, ale také napø. o výbojková svítidla. Tyto kondenzátory znamenají pro ovládací kmitoèet HDO zátì tím vìtí, èím vyí je pouitá tónová frekvence. Kromì tohoto lineárního poklesu hladiny tónového napìtí, zpùsobují vak také tyto kapacity spolu s indukènostmi èástí sítì (vedení, transformátory) rezonanèní jevy pro ovládací kmitoèet. Proto se v síti provádí výe uvedené úpravy, nazvané blokování kondenzátorù. Blokování kondenzátorù se provádí tím zpùsobem, e se jim pøedøadí urèitý obvod, který zpùsobí, e se celek pøedøazený obvod kondenzátor jeví pro ovládací kmitoèet jako induktivní zátì. Nejèastìji se pouívá jako pøedøazeného obvodu jednoduché tlumivky LB (viz obr. 16).
A
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
61
/%
Vt
=V
&N Obr.16
Blokování tlumivkou (Zs impedance spotøebièe, Ck kompenzaèní kondenzátor, LB blokovací tlumivka)
Zádrné tlumivky mají impedanci stoupající úmìrnì se signálním kmitoètem a jsou tedy pouitelné pro iroký rozsah kmitoètù. K dosaení vyhovujícího blokovacího úèinku potøebují vak pomìrnì velkou indukènost. Z toho dùvodu mùe být jejich pouití u velkých kondenzátorù ekonomicky nevýhodné. Mají se uívat jen do velikosti kondenzátorù 1 kVAr (tøífázovì do 3 kVAr). Kromì toho sériové zapojení zádrné tlumivky L a kondenzátoru C pøedstavuje el. obvod schopný kmitání, které vykazuje sériový rezonanèní kmitoèet frs. Tento kmitoèet nesmí nikdy souhlasit se silnì vyjádøenou vyí harmonickou v síti, protoe by nastávalo znaèné proudové pøetìování tohoto rezonanèního okruhu. Blokování kompenzaèního kondenzátoru mùeme ale také realizovat pomocí zádre tvoøené paralelním obvodem LC buï podle obr. 19a, nebo obr. 19b. D
E
/%
&S &N
Obr. 17
=V
/S
&S
=V
&N
Blokování paralelním rezonanèním obvodem
Tento blokovací obvod má oproti pøedchozímu lepí zádrný úèinek a vystaèí s mení hodnotou indukènosti. Mùe se vak pouít pouze pro jediný ovládací kmitoèet (zádrné pásmo o íøce asi ±10 % frp).
62
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
A
Vyími harmonickými, které jsou v síti, vzniká pøídavné proudové zatíení jak kondenzátorù, tak i zádrí (blokovacích èlenù). Kondenzátory musí podle nomy snést 1,3násobek jmenovitého proudu. Také v blokovací tlumivce vyí harmonické zvyují protékající proudy, a tím zpùsobují pøídavné ztráty jak v mìdi, tak i v eleze. Pøi zvyování sycení eleza v tlumivce klesá její indukènost. To je zvlátì dùleité u paralelního rezonanèního okruhu, kde tím vzniká nebezpeèí rozladìní. Protoe musí být bezpodmíneènì zaruèena linearita magnetizaèní køivky, kontroluje se pøi 2,5násobku jmen. proudu I50. Aby elezné jádro bylo schopno tuto podmínku splnit, musí mít dostateènì velkou vzduchovou mezeru. Izolaèní pevnost paralelního rezonanèního okruhu vùèi zemi musí poèítat s pøídavnými napìovými nárazy, které se obvykle pøi pøipínání kondenzátoru na sí objevují. U zádrné tlumivky se musí poèítat s tím, e se pøi zapnutí v prvním okamiku objeví celé síové napìtí U50 na tlumivce, tzn. e vznikne vysoké napìtí mezi prvními závity. Pøi zapnutí kondenzátoru s pøedøazeným paralelním rezonanèním okruhem na sí, dojde v prvním okamiku k rozdìlení síového napìtí mezi kondenzátory C a Cp v obráceném pomìru jejich kapacit. Obecnì lze øíci, e blokování kondenzátorù je pomìrnì nákladná záleitost. V nìkterých pøípadech ji vak nelze pominout.
5.5
DALÍ PROSTØEDKY OMEZUJÍCÍ RUIVÉ VLIVY
Pro omezení vlivu ruivých signálù v okolí ovládacího kmitoètu mùeme provádìt urèité zásahy nebo opatøení v ovládané síti. Nejdùleitìjí z nich jsou dále uvedeny: a) Vylouèení tøetí harmonické a vech jejích násobkù dosáhneme zapojením vn strany napájecího transformátoru do trojúhelníka. Proto tomuto uspoøádání budeme dávat pøednost. b) Kompenzaèní kondenzátory odsávají vyí harmonické z celé okolní sítì. Pokud jsou zablokovány pouze pro urèitou vyí frekvenci paralelním rezonanèním okruhem, pak nám pomáhají odstranit ze sítì alespoò nejmarkantnìji vyjádøené vyí harmonické (pøedevím 5 a 7 harmonickou). Proto se doporuèuje blokovat pouze ty kondenzátory, které pùsobí ruivì, a ostatní neblokovat.
A
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
63
c) Dalím velmi úèinným prostøedkem v dobì mimo vysílání je pouití vazebního èlenu vysílaèe jako èlenu sacího. Tímto zpùsobem velmi úèinnì zabráníme jakýmkoli pøeslechùm z nadøazené sítì a zároveò v napìové úrovni vysílání odsáváme ruivá napìtí v tìsné blízkosti signální frekvence. d) U zdrojù ruivých proudù a napìtí, kde se nám nepodaøí vnitøními zásahy v zaøízení potlaèit vyí harmonické na potøebné minimum, je nutné zdroj zablokovat tlumivkou a ke zdroji eventuelnì jetì pøipojit paralelní kondenzátor pro svod vyích harmonických. Jestlie nelze z jakýchkoli dùvodù pouít blokovací tlumivku, musí se zablokovat zdroj ruení alespoò v okolí signálního kmitoètu paralelním rezonanèním okruhem s dostateènì plochou rezonanèní køivkou, aby pøi omezené selektivitì pøijímaèe nedocházelo k jeho nábìhu.
64
JIØÍ POHORSKÝ: HROMADNÉ DÁLKOVÉ OVLÁDÁNÍ
A