Václav Kùs
Vliv polovodièových mìnièù na napájecí soustavu
Vydáno s finanèní podporou Grantové agentury Èeské republiky, èíslo úkolu GAÈR 102/02/1355.
2002
Kniha se zabývá aktuální problematikou vlivu polovodièových zaøízení na napájecí sí v oblasti nízkofrekvenèního ruení. Jsou zde uvedeny jak postupy pro exaktní výpoèty harmonických proudù, tak i zjednoduené návody na urèení harmonických proudù s pøesností, která je v praxi dostaèující. Mnohé kapitoly jsou doplnìny ukázkami èasových prùbìhù proudù a výsledky jejich následné harmonické analýzy. Je urèena pro vechny, kteøí se chtìjí dozvìdìt více o polovodièových mìnièích, a to nejen z jejich kladné stránky. Projektanti a konstruktéøi najdou návod na výpoèty harmonických proudù, uivatelé mìnièù si mohou snadno zjistit jejich projevy v závodových sítích, monosti jejich zjiování a soulad s normami.
Václav Kùs
Vliv polovodièových mìnièù na napájecí soustavu 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. Za pùvodnost a jazykovou i vìcnou správnost díla zodpovídá autor. Uvedené názvy výrobcù, výrobkù, metod a rùzných materiálù mohou být ochrannými známkami. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny.
Recenzoval Prof. Ing. Frantiek Vondráek, CSc. Vechna práva vyhrazena. © Doc. ing. Václav Kùs, CSc., Praha 2002 © Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 Kùs Václav: Vliv polovodièových mìnièù na napájecí soustavu BEN technická literatura, Praha 2002 1. vydání ISBN 80-7300-062-8
Pøedmluva S pojmem kompatibilita se u irí veøejnosti obvykle spojuje monost uití urèitého zaøízení v souèinnosti s jiným zaøízením. Velmi èasto je to u výpoèetní techniky, u rùzných televizních systémù èi jiné audio video techniky. Budeme-li hovoøit o elektromagnetické kompatibilitì, pak je to v irím kontextu opìt ruení televizí a podobných zaøízení. V dnení dobì, kdy jsou stále více nasazována polovodièová zaøízení, je vak celkový instalovaný výkon takový, e ruení, jak se nìkdy nesprávnì zkrácenì elektromagnetické kompatibilitì øíká, se projevuje i ve frekvencích velmi nízkých, blízkých nìkolika málo násobkùm základní frekvence sítì. Takovému ruení pak øíkáme nízkofrekvenèní ruení. Literatura se nízkofrekvenèním ruením zabývá velmi dlouho. U nás to byla napøíklad kniha Zpìtný vliv výkonových polovodièových mìnièù na napájecí sí [48], vydaná v roce 1979. Ve svìtì to jsou napøíklad knihy od Arrilagy [1], Pellyho [54] nebo eelenka [78]. Pouze negativními úèinky mìnièù se zabývají knihy od Klosse [29], [30]. Od dob vydání tìchto knih vak pokrok výkonové polovodièové elektroniky velmi pokroèil. Namátkou jmenujme pulzní usmìròovaèe a zejména mìnièe kmitoètu s napìovými støídaèi. Pøestoe se v literatuøe objevují dílèí èlánky, popisující jednotlivé mìnièe, neexistuje souhrnná publikace, která by se vlivy polovodièových mìnièù na sí zabývala. Kniha Elektromagnetická kompatibilita [67] se zabývá zejména vysokofrekvenèním ruením. Zùstává tedy nezpracována oblast vlivù mìnièù v nízkofrekvenèním pásmu.
Pøedkládaná kniha si klade za cíl uvedenou mezeru zaplnit. Snahou bylo napsat knihu takovým zpùsobem, aby v ní nalezli odpovìdi jak specialisté, odborníci, ale i technici, kteøí se chtìjí (nebo i musí) vlivy mìnièù na sí zabývat. Proto je kadá kapitola vìnována jinému druhu mìnièù, vèetnì tìch nejnovìjích. V kadé kapitole je obvykle proveden jak teoretický rozbor, tak jsou uvedeny výsledky simulací i praktických mìøení. Pokud se daným mìnièem zabývají normy, je uveden i vztah k danému mìnièi. Jak se mi podaøilo cíl splnit, ponechám laskavì na ètenáøi. Rád bych té podìkoval kolektivu spolupracovníkù z Katedry výkonové elektroniky Západoèeské univerzity v Plzni za mnohé cenné rady a pøipomínky, které mi umonily knihu dopsat. Mùj dík patøí té Grantové agentuøe Èeské republiky, s jejich finanèní podporou mohla tato kniha vyjít. Autor
Obsah 1. Úvod ......................................................................................... 11 2. Definice a prùbìhy neharmonických velièin ........................ 16 2.1 Harmonická analýza .............................................................................. 16 2.1.1 Základní vlastnosti Fourierovy øady ........................................................... 16 2.1.2 Komplexní tvar Fourierovy øady, Fourierova transformace ....................... 18 2.1.3 Volba kmitoètu vzorkování ......................................................................... 20
2.2 Harmonické ve výkonové elektronice a v elektrických pohonech .....20 2.3 Charakteristické a necharakteristické harmonické, meziharmonické ...............................................................23 2.4 Výkony v obvodech s neharmonickými prùbìhy napìtí a proudu .......................................................................................24 2.5 Pomìrné hodnoty a celkoví èinitelé zkreslení ......................................26
3. Harmonické proudy usmìròovaèù ........................................ 28 3.1 Harmonické proudy usmìròovaèe pøi zjednoduených podmínkách èinnosti ............................................28 3.1.1 Idealizované podmínky èinnosti, amplitudový zákon ................................ 29 3.1.2 Vliv úhlu komutace na harmonické proudy ................................................ 32
3.2 Harmonické proudy usmìròovaèe pøi uvaování reálných parametrù ....................................................... 34 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.2.6 3.2.7 3.2.8
Výpoèet proudu procházejícího tyristorem ................................................ 34 Zvlnìní ve stejnosmìrném obvodu ............................................................. 37 Vliv úhlu komutace ..................................................................................... 38 Vliv úhlu øízení ........................................................................................... 39 Výsledky numerické analýzy ...................................................................... 39 Ukázka namìøených prùbìhù z praxe ......................................................... 41 Harmonické proudy pøi pøeruovaných proudech motoru .......................... 42 Harmonické proudy usmìròovaèù pøi nesymetrických podmínkách èinnosti ................................................... 43
3.3 Harmonické proudy usmìròovaèù a normy ........................................48
4. Harmonické proudy pøímých mìnièù kmitoètu ...................................................... 50 4.1 Harmonické a meziharmonické vstupního proudu mìnièe ......................................................................51 4.2 Amplitudy harmonických a meziharmonických pøímých mìnièù kmitoètu ......................................................................52 7
4.3 Harmonické pøímých mìnièù kmitoètu a normy ................................53
5. Harmonické proudy mìnièù napìtí ....................................... 54 5.1 Jednofázové mìnièe napìtí ....................................................................54 5.2 Tøífázové mìnièe napìtí .........................................................................56 5.3 Harmonické mìnièù napìtí a normy ....................................................58
6. Harmonické proudy podsynchronní polovodièové kaskády .................................. 59 6.1 Problematika transformace harmonických proudù pøes stejnosmìrný meziobvod ...............................................................61 6.2 Harmonické proudy podsynchronní polovodièové kaskády. ..............61 6.3 Harmonické podsynchronní polovodièové kaskády a normy .............................................................62
7. Harmonické proudy nepøímých mìnièù kmitoètu s proudovým støídaèem ......... 64 7.1 Charakteristické harmonické proudy mìnièù s proudovým støídaèem ..........................................................................64 7.2 Meziharmonické proudy mìnièù s proudovým støídaèem ..........................................................................65 7.3 Harmonické mìnièù s proudovým støídaèem a normy. ..........................................................65
8. Harmonické proudy nepøímých mìnièù kmitoètu s napìovým støídaèem ......... 66 8.1 Harmonické proudy mìnièe kmitoètu s napìovým støídaèem pøi zjednoduených podmínkách èinnosti ............................................66 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4
Harmonická analýza proudu jednofázového mùstku .................................. 67 Harmonická analýza proudu tøífázového mùstku ....................................... 68 Zobecnìný amplitudový zákon ................................................................... 69 Zpøesnìný popis prùbìhu proudu odebíraného mìnièem ........................... 70
8.2 Mìniè kmitoètu s napìovým støídaèem pøi uvaování reálných parametrù .......................................................73 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5
8
Základní model obvodu .............................................................................. 73 Indukènost v obvodu na stranì usmìròovaèe, jednofázové spojení ........... 75 Tøífázový mùstek, indukènost na stranì usmìròovaèe ............................... 81 Støídaè, pøipojený ke stejnosmìrnému obvodu ........................................... 84 Shrnutí poznatkù k prùbìhu proudu, odebíraného mìnièem ze sítì ........... 86
8.3 Vliv vlastností komponent mìnièe na harmonické proudy a energetické ukazatele ..........................................................................87 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.3.6
Simulaèní model mìnièe ............................................................................. 87 Prvky pouité v modelu mìnièe .................................................................. 88 Vliv kondenzátoru ve stejnosmìrném obvodu ........................................... 89 Vliv napájecí soustavy na harmonické proudy mìnièe kmitoètu ............... 90 Vliv indukènosti ve stejnosmìrném meziobvodu mìnièe .......................... 96 Vliv indukènosti na vstupní stranì mìnièe ................................................. 96
8.4 Mìøení harmonických proudù, výkonù a úèiníku mìnièe ..................97 8.4.1 Mìøení v laboratorních podmínkách ........................................................... 97 8.4.2 Mìøení v prùmyslových závodech ............................................................ 102
8.5 Harmonické proudy mìnièù pøi nesymetrických podmínkách èinnosti ..........................................103 8.6 Harmonické proudy impulzních napájecích zdrojù ..........................105 8.6.1 Základní blokové schéma síového zdroje ............................................... 106 8.6.2 Základní konfigurace výkonových obvodù impulzních zdrojù ................ 107 8.6.3 Moderní øeení spínacích zdrojù ............................................................... 107
8.7 Harmonické proudy mìnièù kmitoètu s napìovým støídaèem a normy ........................................................108
9. Harmonické proudy pulzních usmìròovaèù ...................... 110 9.1 Základní vlastnosti pulzních usmìròovaèù ........................................ 110 9.1.1 Napìové pulzní usmìròovaèe ................................................................. 110 9.1.2 Proudové pulzní usmìròovaèe .................................................................. 112
9.2 Výpoèty harmonických proudu pulzních usmìròovaèù ......................................................................... 114 9.3 Mìøení pulzního usmìròovaèe napìového typu .............................. 116 9.4 Pulzní usmìròovaèe a normy ..............................................................121
10. Souèasná práce více mìnièù ............................................... 122 10.1 Souèasná práce dvou mìnièù ............................................................122 10.1.1 Eliminace proudù 5. a 7. harmonické ..................................................... 123 10.1.2 Rozdílný úhel øízení dvou mìnièù .......................................................... 123
10.2 10.3 10.4 10.5
Souèasná práce vìtího poètu mìnièù ..............................................125 Statistické vyhodnocení .....................................................................127 Souèasná práce mìnièù kmitoètu ..................................................... 129 Soubory souèasnì pracujících mìnièù a normy .............................. 129
11. Mìøení energetických parametrù mìnièù......................... 132 11.1 Zpùsoby mìøení a vyhodnocení harmonických ...............................132 9
11.2 Norma ÈSN EN 61000-4-7 ................................................................133 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5
Pøedmìt a rozsah pouití normy ............................................................. 133 Charakteristiky mìøeného signálu .......................................................... 134 Veobecné poadavky na pøístrojovou techniku .................................... 134 Poadavky na pøístrojovou techniku pracující v èasové oblasti ............. 135 Èasové intervaly mìøení ......................................................................... 136
11.3 Antialiasing filtr .................................................................................137 11.4 Vliv koneèné doby pozorování signálu na jeho spektrum ................................................................................140 11.4.1 Porovnání vlastností nejvíce pouívaných okének ................................. 142 11.4.2 Porovnání oken ....................................................................................... 143 11.4.3 Doporuèené vyuití oken ........................................................................ 143
11.5 Zpracování výsledkù mìøení .............................................................144 11.5.1 11.5.2 11.5.3 11.5.4
Pouití statistiky ..................................................................................... 144 Èasové závislosti namìøených velièin .................................................... 144 Frekvenèní závislosti namìøených velièin ............................................. 145 Znázoròované parametry ........................................................................ 145
11.6 Ukázky mìøených velièin ...................................................................146
12. Normy a EMC v nízkofrekvenèním ruení ................................................. 153 12.1 Základní zákony a naøízení o EMC .................................................154 12.2 Popisy nejdùleitìjích norem nízkofrekvenèního ruení ..................................................................159 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.2.5 12.2.6 12.2.7
ÈSN IEC 1000-2-1 ................................................................................. 159 ÈSN EN 61000-2-2 ................................................................................ 160 ÈSN EN 61000 2 4 ........................................................................... 161 ÈSN EN 61000 3 2 ........................................................................... 162 IEC 61000-3-4 ........................................................................................ 163 ÈSN EN 61000-4-x ................................................................................ 164 Normy pro vysokofrekvenèní ruení ...................................................... 164
12.3 Vyhledávání platných norem ............................................................165
13. Literatura ............................................................................. 167 14. Pouité znaèky ..................................................................... 172 Knihy nakladatelství BEN technická literatura .................. 176
10
