No title

Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER

ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA VÝKONOVÝCH ELEKTRONICKÝCH SYSTÉMÙ

Praha 2013

Publikace je výstupem výzkumu projektu Grantové agentury Èeské republiky, è. 102/09/1164 Interakce výkonových polovodièových mìnièù s okolím a projektu Ministerstva kolství, mládee a tìlovýchovy ÈR v rámci projektu Regionální inovaèní centrum elektrotechniky (RICE), èíslo projektu CZ.1.05/2.1.00/03.0094.

Václav Kùs, Jiøí Skála, Jiøí Hammerbauer


Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vechny registrované nebo jiné obchodní známky pouité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva.

Vekerá práva vyhrazena © Václav Kùs, Jiøí Skála, Jiøí Hammerbauer, Praha 2013 © Západoèeská univerzita v Plzni, 2013 © Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 Autorský kolektiv:

Prof. Ing. Václav Kùs, CSc. Doc. Ing. Jiøí Skála, Ph.D. Doc. Ing. Jiøí Hammerbauer, Ph.D.

Václav Kùs, Jiøí Skála, Jiøí Hammerbauer Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù BEN technická literatura, Praha 2013 1. vydání

ISBN 978-80-7300-476-7 (titìná kniha) ISBN 978-80-7300-477-4 (elektronická kniha v PDF)

OBSAH PØEDMLUVA .................................................................................. 13 1

ÚVOD ............................................................................................... 15

2

ZÁKLADNÍ VZTAHY A DEFINICE .................................................. 19

2.1

Harmonická analýza .................................................................................. 19

2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4

Vyjádøení funkce Fourierovou øadou ................................................................. 19 Kosinová a sinová Fourierova øada .................................................................. 20 Komplexní tvar Fourierovy øady ........................................................................ 21 Fourierova transformace, diskrétní Fourierova transformace ........................... 21

2.2

Výkony v obvodech s nesinusovými prùbìhy napìtí a proudù ........... 22

2.3

Pomìrné hodnoty harmonických, definice zkreslení ............................ 26

2.4

Charakteristické a necharakteristické harmonické, meziharmonické ........................................................................................ 27

2.4.1 2.4.2 2.4.3

Základní pojmy ................................................................................................. 27 Meziharmonické ............................................................................................... 28 Harmonické a meziharmonické ve výkonové elektronice ................................. 29

2.5

Blízké a vzdálené elektromagnetické pole .............................................. 32

2.6

Literatura ke kapitole 2 ............................................................................. 34

3

ZDROJE RUENÍ A KVALITA ELEKTRICKÉ ENERGIE ............... 35

3.1

Kvalita elektrické energie ......................................................................... 35

3.2

Poruchy v napájecí soustavì, vliv polovodièových zaøízení ................ 35

3.3

Monosti íøení ruení a elektromagnetické vazby ................................ 38

3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4

Galvanické ruivé vlivy ..................................................................................... 38 Kapacitní ruivé vlivy ........................................................................................ 40 Induktivní ruivé vlivy ....................................................................................... 43 Ruivá vazba vyzaøováním ............................................................................... 44

3.4

Druhy ruivých signálù a jejich frekvenèní rozsahy .............................. 46

3.4.1

Symetrická a nesymetrická ruivá napìtí a proudy .......................................... 50

3.5

Zdroje harmonických, vliv na napájená zaøízení .................................... 51

3.5.1 3.5.2 3.5.3

Zdroje harmonických proudù ............................................................................ 51 Harmonické generované obloukovými pecemi ................................................. 52 Elektrotepelné spotøebièe s fázovou regulací výkonu ....................................... 52

A


5

3.5.4 3.5.5 3.5.6 3.5.7

Harmonické generované støedofrekvenèním ohøevem ..................................... 53 Vlivy hromadného dálkového ovládání ............................................................. 53 Vliv svìtelných spotøebièù ................................................................................ 54 Zatíení støedního vodièe ................................................................................. 56

3.6


4

IMPEDANCE SÍTÌ .......................................................................... 59

4.1

Modely pro výpoèty impedance závodové sítì ...................................... 61

4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.1.8

Napájecí sí ...................................................................................................... 62 Transformátory ................................................................................................. 62 Reaktory ........................................................................................................... 63 Kondenzátory ................................................................................................... 63 Venkovní a kabelová vedení ............................................................................. 64 Asynchronní motory ......................................................................................... 64 Synchronní motory ........................................................................................... 65 Zátìe niích napìových hladin .................................................................... 65

4.2

Pravidla pro tvoøení celkových modelù .................................................. 67

4.3

Charakteristické impedance zaøízení ...................................................... 68

4.4

Harmonická napìtí .................................................................................... 71

4.5

Rezonance v závodových sítích .............................................................. 72

4.6

Impedance v trakèních soustavách ......................................................... 73

4.7

Impedance sítì ve vztahu k normám ....................................................... 76

4.7.1 4.7.2

Vztaná impedance Zref ...................................................................................................................................................... 77 Zkuební impedance Ztest .................................................................................. 77

4.8


5

VLIVY POLOVODIÈOVÝCH ZAØÍZENÍ NA NAPÁJECÍ SOUSTAVU ............................................................ 79

5.1

Harmonická analýza odebíraných proudù .............................................. 79

5.1.1 5.1.2 5.1.3

Amplitudový zákon ........................................................................................... 79 Zobecnìný amplitudový zákon ......................................................................... 82 Sloitìjí prùbìhy proudù ................................................................................. 86

5.2

Harmonické proudy usmìròovaèù .......................................................... 89

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5

Idealizované podmínky èinnosti ........................................................................ 90 Vliv úhlu komutace na harmonické proudy ....................................................... 91 Harmonické proudy usmìròovaèe pøi uvaování reálných parametrù .............. 93 Necharakteristické harmonické usmìròovaèù .................................................. 97 Meziharmonické usmìròovaèù ......................................................................... 101

6


A

5.3

Harmonické proudy mìnièù napìtí ......................................................... 104

5.3.1 5.3.2

Jednofázový mìniè napìtí s odporovou zátìí ................................................. 105 Jednofázový støídavý mìniè napìtí s induktivní a odporovì-induktivní zátìí ............................................................................. 106 Tøífázový støídavý mìniè napìtí s odporovou zátìí ........................................ 109 Tøífázový støídavý mìniè napìtí s induktivní a odporovì-induktivní zátìí ....... 110 Zjednoduený zpùsob výpoètu harmonických proudù mìnièù napìtí .............. 111 Necharakteristické harmonické a meziharmonické mìnièù napìtí ................... 112

5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6

5.4

Harmonické proudy pøímých mìnièù kmitoètu ...................................... 113

5.4.1 5.4.2

Harmonické a meziharmonické vstupního proudu pøímého mìnièe kmitoètu ... 115 Amplitudy harmonických a meziharmonických vstupního proudu pøímého mìnièe kmitoètu ..................................................... 117

5.5

Harmonické proudy nepøímých mìnièù kmitoètu s proudovým støídaèem ............................................................................ 118

5.5.1

Charakteristické harmonické proudy mìnièù kmitoètu s proudovým støídaèem .................................................................................... 118 Meziharmonické proudy mìnièù s proudovým støídaèem ................................. 118

5.5.2

5.6

Harmonické proudy nepøímých mìnièù kmitoètu s napìovým støídaèem ............................................................................ 119

5.6.1

Harmonické proudy mìnièe kmitoètu s napìovým støídaèem pøi zjednoduených podmínkách èinnosti ......................................................... 120 Harmonické proudy mìnièe kmitoètu s reálnými parametry ............................. 121 Indukènost v obvodu na stranì usmìròovaèe, jednofázové spojení ................ 123 Indukènost v obvodu na stranì usmìròovaèe, tøífázové spojení ...................... 128 Støídaè, pøipojený ke stejnosmìrnému obvodu ................................................. 131 Shrnutí poznatkù k prùbìhu proudu, odebíraného mìnièem ze sítì ................ 134 Necharakteristické harmonické mìnièù kmitoètu s napìovým støídaèem ....... 134 Meziharmonické mìnièù kmitoètu s napìovým støídaèem .............................. 137 Vliv vlastností komponent mìnièe na harmonické proudy a energetické ukazatele .................................................................................... 140

5.6.2 5.6.3 5.6.4 5.6.5 5.6.6 5.6.7 5.6.8 5.6.9

5.7

Vlivy pulzních modulací na harmonické proudy .................................... 150

5.8

Harmonické proudy pulzních usmìròovaèù .......................................... 153

5.8.1 5.8.2 5.8.3

Princip pulzního usmìròovaèe napìového typu .............................................. 154 Harmonické vstupního proudu pulzního usmìròovaèe ..................................... 154 Vliv velikosti zátìe na velikost harmonických proudù pulzního usmìròovaèe ..................................................................................... 156 Vliv spínací frekvence na velikost harmonických proudù pulzního usmìròovaèe ..................................................................................... 159 Vliv zkreslení zdroje napìtí na velikost harmonických proudù usmìròovaèe ........................................................................................ 160 Harmonické proudových pulzních usmìròovaèù .............................................. 161

5.8.4 5.8.5 5.8.6

A


7

5.9

Harmonické proudy pøi souèasné práci více mìnièù ............................ 163

5.9.1 5.9.2 5.9.3

Souèasná práce dvou mìnièù .......................................................................... 164 Souèasná práce vìtího poètu mìnièù ............................................................. 166 Souèasná práce vìtího poètu mìnièù kmitoètu .............................................. 168

5.10

Harmonické proudy polovodièových mìnièù a normy ......................... 169

5.10.1 5.10.2 5.10.3 5.10.4 5.10.5 5.10.6

Normy pro harmonické proudy usmìròovaèù ................................................... 170 Normy pro harmonické proudy pøímých mìnièù kmitoètu ................................. 171 Normy pro harmonické proudy mìnièù napìtí .................................................. 172 Normy pro harmonické proudy mìnièù kmitoètu s napìovým støídaèem ........ 172 Normy pro harmonické proudy pulzních usmìròovaèù .................................... 173 Normy pro harmonické proudy souèasnì pracujících mìnièù .......................... 173

5.11


6

MINIMALIZACE HARMONICKÝCH, FILTRAÈNÌ KOMPENZAÈNÍ ZAØÍZENÍ ....................................... 179

6.1

Minimalizace harmonických ..................................................................... 179

6.1.1 6.1.2 6.1.3

Omezení harmonických bez pomoci dodateèných zaøízení ............................. 179 Omezení harmonických instalací dodateèných zaøízení ................................... 180 Omezení harmonických instalací aktivních filtrù ............................................... 180

6.2

Kompenzace úèiníku ................................................................................. 181

6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

Princip kompenzace úèiníku ............................................................................. 181 Monosti umístìní kompenzaèního zaøízení ................................................... 183 Technické prostøedky pro kompenzaci úèiníku ................................................. 183 Uití kompenzace v dalích oblastech elektrických rozvodù ............................ 185

6.3

Filtraènì kompenzaèní zaøízení ............................................................... 186

6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6 6.3.7 6.3.8 6.3.9 6.3.10 6.3.11

Poadavky na filtry ........................................................................................... 186 Základní vztahy pro návrh filtru ........................................................................ 187 Podmínky pro volbu kondenzátorové baterie ................................................... 190 Výpoèet z proudové podmínky ......................................................................... 191 Výpoèet z napìové podmínky ......................................................................... 192 Urèení minimálního instalovaného výkonu ....................................................... 192 Vliv nekompenzovaných harmonických ............................................................ 194 Volba kondenzátorové baterie podle potøebného kompenzaèního výkonu ....... 195 Výpoèet základních parametrù tlumivky filtru ................................................... 196 Èinný odpor tlumivky a vliv rozladìní obvodu na úèinnost filtrace .................... 196 Sloitìjí typy filtrù ............................................................................................ 197

6.4

Filtraènì kompenzaèní zaøízení jako prvek sítì ..................................... 199

6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4

Rozdìlení harmonických proudù v síti s instalovaným filtrem .......................... 199 Monosti vzniku rezonance v sítích s filtry nebo s chránìnou kompenzací ...... 200 Zpùsoby ladìní filtrù a chránìné kompenzace ................................................. 200 Zapínání a vypínání skupiny filtrù ..................................................................... 202

8


A

6.4.5 6.4.6

Vliv filtraènì kompenzaèního zaøízení na napìtí sítì ....................................... 202 Interakce filtraènì kompenzaèního zaøízení se signálem HDO ..................... 204

6.5

Øízení kompenzaèního výkonu, spínání kondenzátorù ........................ 206

6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4

Pevná a promìnná kompenzace ...................................................................... 206 Problematika pøipnutí kondenzátoru ................................................................. 207 Základní zpùsoby promìnné kompenzace ....................................................... 207 Dynamická kompenzace úèiníku ...................................................................... 208

6.6

Aktivní filtry ................................................................................................ 210

6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.6.5 6.6.6 6.6.7

Paralelní aktivní filtry ........................................................................................ 211 Sériové aktivní filtry .......................................................................................... 212 Kombinované aktivní filtry ................................................................................ 212 Koncepce aktivních filtrù .................................................................................. 213 Linkový kondicionér .......................................................................................... 214 Hybridní filtry .................................................................................................... 215 Principy øízení aktivních filtrù ............................................................................ 216

6.7


7

POKLESY NAPÌTÍ V NAPÁJECÍ SOUSTAVÌ A JEJICH VLIV NA ÈINNOST MÌNIÈÙ ................................................................... 221

7.1

Poruchy napìtí v napájecí soustavì ....................................................... 221

7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4

Definice krátkodobého poklesu napìtí ............................................................. 221 Charakter poklesù a krátkodobých pøeruení napìtí ........................................ 224 Pøíèiny poklesù a krátkodobých pøeruení napìtí, íøení poklesù ..................... 224 Mìøení krátkodobých poklesù napìtí ................................................................ 226

7.2

Monosti eliminace krátkodobých poklesù a jejich vlivù na spotøebièe ....................................................................... 227

7.2.1 7.2.2 7.2.3

Eliminace poklesù zmìnami v elektrizaèní soustavì ........................................ 227 Eliminace poklesù zvýením odolnosti napájeného zaøízení ............................ 228 Eliminace poklesù napìtí dodateèným zdrojem energie .................................. 229

7.3

Sníení krátkodobých poklesù napìtí dodateènými prostøedky .......... 230

7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5

Vyrovnání napìového poklesu pouitím DVR ................................................. 230 Pouití spínaných kondenzátorù ...................................................................... 231 Spínání akumulované energie v indukènosti zvyovacím pulzním mìnièem ... 232 Pouití akumulátorové baterie, superkondenzátorù a UPS .............................. 234 Pouití energie setrvaèníku .............................................................................. 234

7.4

Dùsledky poklesù napìtí na èinnost mìnièù kmitoètu ......................... 235

7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4

Pokles napìtí ve stejnosmìrném meziobvodu ................................................. 235 Monost vzniku proudové pièky do kondenzátoru .......................................... 236 Monost vzniku pøepìtí vlivem opìtného zapnutí ............................................. 236 Zablokování øízení støídaèe .............................................................................. 236

A


9

7.5

Vliv poklesu napìtí sítì na moment motoru principy ......................... 236

7.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5

Rychlost poklesu napìtí, vznik proudové pièky pøi obnovì napìtí .................. 237 Trvalé blokování spínání tranzistorù po poklesu napìtí kondenzátoru ............. 238 Výrazný pokles napìtí v dobì zablokování tranzistorù ..................................... 239 Odblokování spínání tranzistorù po obnovì napìtí .......................................... 240 Sníení napìtí motoru ...................................................................................... 242

7.6

Omezení vlivu poklesù napìtí prostøedky výkonové a øídicí elektroniky v pouitých mìnièích ............................................... 243

7.6.1 7.6.2

Pouití pulzních usmìròovaèù .......................................................................... 243 Vyuití øízení støídaèe ....................................................................................... 247

7.7

Øeení problému vlivu poklesù napìtí na mìnièe jako celek ............... 250

7.8


8

ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA VÝKONOVÝCH POLOVODIÈOVÝCH SYSTÉMÙ VE VYSOKOFREKVENÈNÍ OBLASTI ......................................................................................... 253

8.1

Základní poznatky ..................................................................................... 253

8.2

Zásady projektování výkonových obvodù z hlediska EMC .................. 253

8.2.1

Propojovací kabely ........................................................................................... 254

8.3

Zásady projektování øídicích obvodù z hlediska EMC .......................... 256

8.3.1 8.3.2 8.3.3

Sníení galvanického ovlivòování .................................................................... 256 Sníení kapacitní ruivé vazby ......................................................................... 257 Sníení induktivní ruivé vazby ........................................................................ 257

8.4

Eliminace vysokofrekvenèního ruení u polovodièových systémù .... 258

8.4.1 8.4.2

Sníení ruivého ovlivòování stínìním ............................................................. 258 Zemnìní obvodù systému mìnièe .................................................................... 264

8.4.2.1 Jednobodové zemnìní ............................................................................................ 264 8.4.2.2 Vícebodové zemnìní ............................................................................................... 265 8.4.2.3 Hybridní zemnìní .................................................................................................... 266

8.5

Odruovací filtry ........................................................................................ 266

8.6

Omezení nárazových zapínacích proudù mìnièù .................................. 271

8.7

Pøepìová ochrana polovodièového mìnièe ......................................... 274

8.8


9

EMC NAPÁJECÍCH ZDROJÙ ......................................................... 279

9.1

Rozdìlení napájecích zdrojù .................................................................... 279

9.1.1

Lineární napájecí zdroje ................................................................................... 279

10


A

9.1.2

Impulzní napájecí zdroje ................................................................................... 281

9.2

Klasicky øeené síové impulzní zdroje .................................................. 282

9.2.1 9.2.2 9.2.3 9.2.4 9.2.5

Základní konfigurace síových impulzních zdrojù ............................................. 282 Blokující mìniè ................................................................................................. 283 Propustný mìniè ............................................................................................... 283 Dvojèinný mìniè pùl mùstek .......................................................................... 285 Dvojèinný mìniè plný mùstek ........................................................................ 285

9.3

Základní konfigurace vstupního obvodu impulzních zdrojù a jejich harmonické proudy ................................................................................... 286

9.4

Minimalizace vlivu impulzních zdrojù napájecích zdrojù na napájecí sí ........................................................................................... 289

9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5

Pasivní kapacitní filtr PFC ................................................................................ 289 Pasivní indukèní filtr PFC ................................................................................. 293 Aktivní filtr PFC typu Boost ............................................................................... 296 Aktivní filtr PFC typu Interleaved PFC .............................................................. 299 Aktivní filtr PFC typu Bridgeless PFC ............................................................... 299

9.5


10

NORMY A PØEDPISY V OBLASTI ELEKTROMAGNETICKÉ KOMPATIBILITY ............................................................................. 303

10.1

Základní zákony a naøízení o EMC ........................................................... 304

10.2

Základní dìlení norem EMC ..................................................................... 305

10.3

Normy EMC v nízkofrekvenèním ruení .................................................. 306

10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5

ÈSN IEC 1000-2-1 ........................................................................................... 309 ÈSN EN 61000-2-2 .......................................................................................... 310 ÈSN EN 61000-2-4 .......................................................................................... 311 ÈSN EN 61000-3-2 .......................................................................................... 312 ÈSN EN 61000-3-12 ......................................................................................... 314

10.4

ÈSN EN 61000-4 ......................................................................................... 316

10.5

Normy pro vysokofrekvenèní ruení ....................................................... 317

10.5.1 ÈSN EN 55011 ................................................................................................. 319 10.5.2 ÈSN EN 55014 ........................................................................................................ 321

10.5.3 ÈSN EN 55022 ................................................................................................. 322

11

MÌØENÍ EMC VÝKONOVÝCH POLOVODIÈOVÝCH SYSTÉMÙ .................................................... 325

11.1

Teoretický úvod do mìøení a analýzy harmonických ............................ 325

11.1.1 Pøíklad vyuití zpìtné Fourierovy transformace ................................................ 326 11.1.2 Konvolutorní souèin .......................................................................................... 327

A


11

11.2

Mìøení v nízkofrekvenèní oblasti teoretická èást ................................ 328

11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5

Zpùsoby mìøení a vyhodnocení harmonických ................................................ 328 Volba doby a frekvence vzorkování .................................................................. 329 Vliv koneèné doby pozorování signálu na jeho spektrum ................................. 330 Antialiasing filtr ................................................................................................. 334 Normy pro mìøení v oblasti nízkofrekvenèního ruení ..................................... 335

11.3

Mìøení v nízkofrekvenèní oblasti praktické ukázky ............................ 338

11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4

Mìøení usmìròovaèù ........................................................................................ 339 Mìøení mìnièù napìtí ....................................................................................... 340 Mìøení mìnièù kmitoètu ................................................................................... 340 Mìøení pulzních usmìròovaèù ......................................................................... 344

11.4

Specifika mìøení polovodièových zaøízení ve vysokofrekvenèní oblasti .................................................................... 346

11.4.1 Mìøení vysokofrekvenèního ruení íøící se vedením ...................................... 349 11.4.2 Mìøení ruivých emisí íøících se vyzaøováním ................................................ 352

11.5

Mìøení mìnièù ve vysokofrekvenèní oblasti praktické ukázky ......... 353

11.6

Mìøení síových impulzních zdrojù napìtí ............................................. 355

11.7

Literatura ke kapitole 11 ............................................................................ 361

12

POUITÉ ZNAÈKY ......................................................................... 363

12


A

PØEDMLUVA Nároky na elektrickou energii neustále rostou. Roste a vyvíjí se zejména poèet spotøebièù, které odebírají nesinusový proud. Jedná se nejen o velká a klasická zaøízení (obloukové pece, velké pohony), ale té o zaøízení velmi malých výkonù. Vlivem masivního nárùstu pouívaných elektronických zaøízení, který je umonìný na jedné stranì kvalitní souèástkovou základnou a na stranì druhé jejich cenou, stoupá i podíl spotøebièù se zkresleným odbìrem proudu. Pøestoe normy u malých spotøebièù pøedepisují urèité meze nelinearity, jsou celkové hodnoty odebíraných nelineárních proudù veliké. To vede ke zkreslení napìtí, vzniku deformaèních výkonù, pøetìování vedení a dalím nepøíznivým dùsledkùm. V prùmyslových podnicích se neustále zvyují poèty pouívaných polovodièových mìnièù. I kdy jsou èasto výkony jednotlivých mìnièù malé, je jejich mnoství a výkon takové, e v závodových sítích jejich provozem dochází k nepøíznivým jevùm. Souèasné spolupùsobení v rùzných èástech rozvodù pak vede nejen k deformaci napájecí køivky, ale i ke vzniku rezonanèních jevù. Naopak, vlivem poruch v napájecí soustavì pak mohou mít citlivá elektronická zaøízení problémy nebo dokonce mùe být jejich èinnost zastavena, i kdy napájecí soustava následnì pracuje normálnì. Novì vyvíjené typy mìnièù jsou neustále sofistikovanìjí. Jejich konstrukce a programové vybavení není provedeno pouze s ohledem na splnìní poadavkù spotøebitele (pohonu), ale souèasnì je brán zøetel i na interakci s napájecí soustavou. Za posledních 20 let dolo k doslova raketovému nárùstu mìnièù. Vlivem nových polovodièových prvkù a s rozvojem øídicí elektroniky jsou splòovány i takové poadavky, které pøed nìkolika lety byly nemoné. Vznikají rovnì nové struktury mìnièù. To vak opìt vede ke vzniku poadavkù na øeení problematiky negativních vlivù mìnièù na sí a k návrhu opravných prostøedkù. Literatura se vzájemným elektromagnetickým ovlivòováním elektrických zaøízení zabývá velmi dlouho. Ve vztahu k polovodièovým zaøízením byla mezi prvními vydána kniha Zpìtný vliv výkonových polovodièových mìnièù na napájecí sí [3.10], vydaná v roce 1979. Zejména vysokofrekvenèní technikou v elektromagnetické kompatibilitì se zabývá kniha Elektromagnetická kompatibilita elektrotechnických systémù. [3.16]. Ve svìtì to jsou napøíklad knihy od Arrilagy [2.2], Pellyho [5.60] nebo eelenka [3.22]. Pouze negativními úèinky mìnièù se zabývají knihy od Klosse [5.17], [5.18]. Od dob vydání tìchto knih vak pokrok výkonové polovodièové elektroniky velmi pokroèil. V roce 2002 proto vychází kniha Vliv polovodièových mìnièù na napájecí soustavu [5.47]. V této knize je pozornost vìnována zejména klasickým polovodièovým mìnièùm a jejich vlivu na napájecí soustavu. Jsou zde probírány i vlivy nepøímých mìnièù kmitoètu. Avak malá pozornost je vìnována mìnièùm malých výkonù, spínaným napájecím zdrojùm tedy zaøízením, které se v souèasnosti vyskytují nejvíce. Základní tezí knihy bylo vyetøování vlivu polovodièových mìnièù na napájecí soustavu.

A


13

Za deset rokù od vydání zmínìné knihy vzniklo velké mnoství nových typù mìnièù, jejich struktur, zmìnily se zpùsoby øízení. Obrovsky narostl podíl spotøebièù s malými výkony, jako jsou napájecí zdroje pro výpoèetní techniku, domácí elektroniku a svìtelné zdroje. Poadavkem jsou nyní konstrukce spotøebièù s minimalizovanými vlivy na napájecí soustavu, u velkých výkonù pak komplexní dodávky vèetnì realizace opatøení proti negativním úèinkùm provozu polovodièových zaøízení na sí. Proto jsou v knize kapitoly vìnovány i této problematice. Jsou uvedeny vlastnosti a výpoèty impedance sítì s ohledem na harmonické. Na základì výpoètu zkreslení je navrena filtraènì kompenzaèní stanice. Pøi návrhu zaøízení nebo pøi jeho pøipojení do soustavy musí být akceptovány poadavky z elektromagnetické kompatibility jak v oblasti nízkofrekvenèního ruení, tak i vysokofrekvenèních projevù. Novým jevem je provoz mìnièù s nejvyí odolností proti poklesùm napìtí v napájecí soustavì. Pøedkládaná kniha si klade za cíl seznámit uivatele s uvedenou problematikou. Je urèena irokému okruhu ètenáøù. Autoøi doufají, e odpovìdi zde najdou jak pracovníci ze závodù, kteøí musejí problematiku EMC øeit jako jeden z mnoha problémù, tak specialisté na problematiku EMC polovodièových mìnièù. Kniha je té urèena posluchaèùm vysokých kol i pracovníkùm ve výzkumu a vývoji. Na knize spolupracoval kolektiv pracovníkù Západoèeské univerzity v Plzni nìkolik rokù. V knize jsou koncentrovány mnohaleté zkuenosti práce ve výzkumu, vývoji a spolupráci s praxí. Souèasnì jsou uvedeny nejnovìjí poznatky z oboru tak dynamicky se rozvíjejícího, jakým elektromagnetické kompatibilita polovodièových systémù beze sporu je. Jednotlivé kapitoly zpracovali autoøi následovnì: doc. Ing. Jiøí Skála, Ph.D. zpracoval kapitoly 2.5, 3.3, 3.4, 8, 10.5, 11.4 a 11.5, doc. Ing. Jiøí Hammerbauer, Ph.D. zpracoval kapitoly 8.6, 9 a 11.6. Ostatní kapitoly zpracoval prof. Ing. Václav Kùs, CSc., který autorský kolektiv vedl a vytvoøil základní koncepci knihy. Autoøi dìkují mnohým spolupracovníkùm z Fakulty elektrotechnické Západoèeské univerzity v Plzni i z dalích pracovi v Èeské republice za cenné podnìty a rady, bez nich by tato kniha nemohla vzniknout. Autoøi dìkují Grantové agentuøe Èeské republiky za finanèní podporu, poskytnutou v rámci øeení úkolu GAÈR 102/09/1164 s názvem Interakce výkonových polovodièových mìnièù s okolím. Kniha souèasnì vznikla s podporou Evropského fondu pro regionální rozvoj a Ministerstva kolství, mládee a tìlovýchovy ÈR v rámci projektu Regionální inovaèní centrum elektrotechniky (RICE), èíslo projektu CZ.1.05/2.1.00/03.0094. Za kolektiv autorù prof. Václav Kùs

14


A

1

ÚVOD

Neustále narùstající poèet elektrických a elektronických zaøízení zpùsobuje vzrùstající poèet provozních obtíí. Jedním z faktorù, které pøispívají k tìmto provozním obtíím, je vzájemné ovlivòování elektrických zaøízení, co je výsledkem elektromagnetických vlastností tìchto pøístrojù, zaøízení èi systémù. Na jedné stranì pracuje elektronika s minimálními energiemi a proto v pøípadì, e se do ní dostanou elektrické signály o vyích energiích, mohou zpùsobit její nesprávnou funkci nebo i pokození. Na druhé stranì, pro øízení výkonu hojnì pouívané výkonové polovodièové souèástky mohou zpìtnì pùsobit na napájecí sí a tím i na ostatní pøipojená zaøízení. Celý obor, který se uvedenou problematikou zabývá, je elektromagnetická kompatibilita (EMC). Definice dle normy1) stanoví, e: elektromagnetická kompatibilita je schopnost zaøízení nebo systému fungovat vyhovujícím zpùsobem ve svém elektromagnetickém prostøedí bez vytváøení nepøípustného elektromagnetického ruení pro cokoliv v tomto prostøedí. Ji z této definice je patrná dekompozice problému na dvì èásti schopnosti mìnièe pracovat ve svém elektromagnetickém okolí a souèasnì co nejménì nebezpeèné elektromagnetické prostøedí vytváøet.

Obrázek 1.1 Vzájemné, multilaterální pùsobení rùzných zdrojù elektrických zaøízení Mìnièe svým charakterem èinnosti pùsobí jako: a) zdroj ruení, b) spotøebiè, na který pùsobí vnìjí ruivé vlivy, c) zaøízení, které svým provozem ruí samo sebe. 1)

A

Jedná se o normu ÈSN IEC 50 (161) Mezinárodní elektrotechnický slovník kapitola 161: Elektromagnetická kompatibilita.


15

Protoe mìniè kmitoètu v podstatì oddìluje napájecí sí a spotøebiè svými obvody, lze vlivy mìnièù dále dìlit na: a) vlivy mìnièe na napájecí soustavu, b) vlivy mìnièe na napájené zaøízení, c) vlivy mìnièe na okolí. Naopak, vlivem poruch v napájecí soustavì je ohroena èinnost mìnièe. Základem knihy jsou nízkofrekvenèní projevy interakcí mezi mìnièem a napájecí soustavou. Pouze v nìkterých zøetelech je vìnována pozornost i vysokofrekvenèní problematice, a to zejména ve spojení s návrhy mìnièù. V prùmyslových závodech je obvykle velmi hustá zasmyèkovaná elektrická rozvodná soustava (èasto o mnoha napìových úrovních), ke které dnes pøistupují mnohé øídicí, ovládací a datová vedení. To vede k tomu, e dochází k projevùm vzájemného ovlivòování spotøebièù stále èastìji. Jakým zpùsobem tyto problémy øeit? V prvním pøípadì je tøeba se snait vyrábìt takové elektrotechnické výrobky, které ovlivòují elektromagnetické okolí co nejménì a souèasnì tak, aby byly co nejvíce odolné proti tìmto jevùm. Kadý výrobek je tedy urèitým zpùsobem vdy zdrojem ruení a je souèasnì ruen. Pøípustné hodnoty pro èinnost elektrických zaøízení v elektromagnetickém prostøedí jsou dnes obvykle dány pøíslunými normami. Výrobci tìchto zaøízení i výzkumné ústavy vìnují této otázce velkou pozornost. Pøesto jsou vlivy zaøízení na sí èi na napájené zaøízení takového charakteru, e buï nemùe pracovat samotný spotøebiè, nebo (v horím pøípadì) je ovlivnìna sí takovým zpùsobem, e nemohou pracovat ani dalí pøipojená zaøízení. Pak je nutné pøijmout dalí opatøení, která tyto úèinky odstraní, nebo alespoò minimalizují na pøijatelnou úroveò. Problematice nízkofrekvenèního ruení dominují zhruba ètyøi základní okruhy: l

harmonické proudy (vyích øádù) produkované nelineárními spotøebièi,

l

impedance sítì,

l

zmìny napìtí v síti,

l

zaøízení pro minimalizaci harmonických proudù a kompenzaci úèiníku.

Tìmto bodùm jsou proto vìnovány hlavní èásti knihy. Nejprve je uveden struèný matematický aparát, který je pøi výpoètech potøebný, zejména s ohledem na Fourierovu analýzu. Souèasnì jsou zavedeny základní matematické vztahy pro neharmonické velièiny. Na rozdíl od mnohých publikací o neharmonických velièinách je zde i napájecí napìtí uvaováno obecnì jako nesinusové, s urèitým zkreslením. To je v souèasnosti ji nezbytné. Dùraz je té kladen na definování jednotlivých výkonù a èinitelù zkreslení. Vechny uvedené definice jsou v souladu s platnými normami. Dalí kapitola se vìnuje kvalitì elektrické energie, poruchám v napájecí soustavì, zdrojùm harmonických, poruchám vznikajících v rozvodné soustavì a monostem íøení ruení. Stìejní èást této kapitoly je vìnována teoretickým aspektùm íøení ruení, pøísluným frekvenèním rozsahùm a zaèlenìním rùzných druhù ruivých signálù. Kapitola je napsána té s cílem upozornit na projevy zejména vysokofrekvenèního ruení u polovodièových zaøízení.

16


A

Velká pozornost je vìnována impedancím sítì. Zde jsou probrány nejen zpùsoby jak modelovat jednotlivé èásti rozvodù, ale zejména jak modelovat rozsáhlé zasmyèkované závodové sítì. Souèástí kapitoly je popis typických impedancí a vznik harmonických napìtí vyích øádù. Na pøíkladech jsou ukázány monosti výpoètù impedance sítì a zejména pak harmonických napìtí vyích øádù. Ètenáøi jsou upozornìni na moné rezonance, které v síti vznikají, na jejich výpoèty a dùsledky. Jedna podkapitola je vìnována zvlátnostem výpoètu impedance v trakèních soustavách. Co do velikosti je nejrozsáhlejí pátá kapitola. Ta je vìnována urèení frekvence a velikosti harmonických proudù, které jsou mìnièi odebírány ze støídavé napájecí sítì. Nejprve je uvedeno odvození známého amplitudového zákona. Ten je pak dále rozíøen na tzv. zobecnìný amplitudový zákon, platný pro odebírané proudy vìtiny mìnièù. Spoleènì s principem superpozice prùbìhù pak mùe být provedena harmonická analýza u vìtiny prùbìhù proudù. Následnì jsou probírány vlivy jednotlivých mìnièù na sí. Postupnì jsou uvedeny zpùsoby výpoètu harmonických proudù klasických mìnièù (usmìròovaèe), mìnièù napìtí, cyklokonvertorù aj. Nejvìtí pozornost kapitoly je soustøedìna k nepøímým mìnièùm kmitoètu s napìovým støídaèem a monostem sníení proudù u tìchto mìnièù. Z nejmodernìjích zaøízení je vìnována pozornost pulzním usmìròovaèùm napìového typu. U vech mìnièù jsou uvedeny té zpùsoby zjitìní necharakteristických harmonických a meziharmonických. Pøestoe je jejich velikost ve srovnání s charakteristickými harmonickými obvykle zanedbatelná, mohou v pøípadì rezonanèních jevù vytváøet nepøípustná napìtí vyích frekvencí. Protoe v praxi samostatnì pracující mìniè najdeme ji ojedinìle, je nutné èasto øeit, jak postupovat pøi urèování negativních úèinkù vìtího poètu mìnièù, které jsou pøipojovány do jednoho pøípojného bodu v napájecí síti nebo v rùzných bodech jednoho závodu. Obsáhlá èást knihy patøí návrhu opravných prostøedkù. Tomu se vìnuje kapitola 6. Protoe obvykle nejde oddìlit filtraèní a kompenzaèní úèinek, je kapitola vìnována nejen návrhu filtrù pro minimalizaci harmonických, ale té i problematice kompenzace úèiníku. Je uveden rozsáhlý matematický aparát, který umoòuje provádìt návrh filtrù s ohledem na potøeby filtrace i kompenzace úèiníku. Nezbytné jsou i zpùsoby ladìní filtrù a jejich dimenzování s ohledem na harmonické jiných frekvencí, ne je rezonanèní frekvence filtru. Pozornost je vìnována i sloitìjím typùm filtrù. Nezbytností jsou výpoèty úèinnosti filtrù v pøipojených èástech soustavy. Souèástí jsou té moderní aktivní filtry a zaøízení pro dynamickou kompenzaci úèiníku. Jedna pasá knihy je vìnována i opaèným jevùm vlivùm poruch v síti na èinnost mìnièù a monostem, jak tìmto projevùm zabránit. Tato kapitola byla napsána na základì mnohých dotazù provozovatelù mìnièù v prùmyslových podnicích. Zejména pøi krátkodobých poklesech napìtí dochází èasto k zastavení èinnosti mìnièe. Pøestoe se napìtí velmi brzy vrátí na svoji nominální hodnotu, mìniè je zastaven. Do obnovení jeho èinnosti na výrobní parametry pøed poruchou mùe dojít k velké ekonomické ztrátì. Nezbytnou kapitolou v této knize je popis doprovodných jevù v EMC výkonových mìnièù. Jedná se o vysokofrekvenèní ruení. Jsou zde uvedeny zásady návrhu výkonových a øídících obvodù polovodièových mìnièù z hlediska EMC. Souèástí jsou té moné odruovací prostøedky. Odkazy jsou provádìny zejména na pasáe v kapitole 3. Souèástí problematiky vlivù mìnièù na napájecí soustavu jsou výpoèty harmonických proudù klasických síových zdrojù malého výkonu a impulzních napájecích zdrojù. V kapitole 9 pak jsou

A


17

popsány základní konfigurace výkonových obvodù impulzních zdrojù a jejich harmonické proudy, které odebírají ze sítì. Popis je dìlán s ohledem na normy, které harmonické proudy uvedených mìnièù omezují. Srovnání je provedeno s klasickými síovými zdroji. Pokud existují normy, které se vìnují pøímo negativnímu pùsobení na sí u jednotlivých druhù mìnièù, je to probráno pøímo v kapitolách u jednotlivých mìnièù. Kromì toho je normalizaci (zejména pro energetické ruení) vìnována v knize samostatná kapitola. Vzhledem k velmi èastým zmìnám ve znìní norem bude tato pasá asi nejrychleji stárnout, proto je uvedena zejména základní struktura a orientace v normách. Samozøejmostí je, e jsou uvádìny pouze normy EN èi IEC. V mnohých kapitolách je uveden nejenom postup pro exaktní výpoèty harmonických proudù, ale té zjednoduené návody na urèení harmonických proudù s pøesností, která je v praxi dostaèující. Vìtina kapitol je doplnìna ukázkami èasových prùbìhù proudù a výsledky jejich následné harmonické analýzy. Mìøení byla provádìna jak v laboratorních podmínkách, tak v praxi. Kapitola 11, vìnovaná mìøení harmonických by vzhledem ke své dùleitosti a obsáhlosti jistì zaslouila vìtí prostor, pøípadnì samostatnou knihu. Kromì nezbytných teoretických èástí, zabývajících se zákonitostmi pøi mìøení harmonických jsou uvedeny normativní poadavky pro mìøení a analýzu. Pøíklady zde uvedené doplòují prùbìhy z dílèích kapitol. Jejich cílem je demonstrace mìøené metody, pøípadnì ukázka netypických prùbìhù z praxe. Problematika, zpracovávaná v knize je velmi iroká. Jsou popisovány negativní úèinky mnoha zaøízení, zejména výkonových polovodièových mìnièù. Proto jsou provádìny èasté odkazy na literaturu, která je mnohdy pro pochopení principù èinnosti zaøízení a vzniku harmonických nepostradatelná. S ohledem na rozsah citované literatury byl zvolen princip, kdy je bezprostøednì související literatura uvedena pøímo na konci kadé kapitoly. Vìtina odkazù v kapitole je a na výjimky právì v uvedeném seznamu. Výjimkou ze seznamu literatury je kapitola 10, která se vìnuje normám. Zde jsou názvy norem uvedeny bìhem jejich popisu a nejsou tedy znovu v seznamu literatury uvedeny. Obtíné bylo uvedení seznamu znaèek. Zpracovávaná problematika je tak rozsáhlá, e není moné absolutnì vechny znaèky v seznamu uvést. Jsou tedy uvedeny znaèky základní a zejména ty, kde není vdy jednoznaènì zøejmý význam. Naopak, vzhledem k rozsáhlosti knihy, mají mnohé znaèky rùzné významy ty jsou v seznamu uvedeny. Jejich význam je patrný z textu. Pøes rozsáhlost uvedeného materiálu si autoøi uvìdomují, e nemohli zdaleka uvést vechny aspekty elektromagnetické kompatibility výkonových polovodièových systémù. Pozornost by jistì zaslouily vlivy mìnièù na napájená zaøízení, flicker a dalí jevy, zejména ve vysokofrekvenèní oblasti. Tato témata ji pøekraèují vytýèený rámec knihy. Pøesto autoøi doufají, e ètenáøùm kniha pøinese kvalitní základní orientaci v problematice.

18


A

No title

Recommend Documents