|
EMC v technické praxi III: Omezování rušení v oblasti nízkých kmitočtů
Jaroslav Žáček, Karel Künzel
Třetí část seriálu o EMC je zaměřena na problematiku nízkofrekvenčního rušení spočívajícího především v tzv. síťovém rušení, tj. rušení vztahujícím se k napájecí síti. Z dříve uvedených zdrojů nízkofrekvenčního rušení jsou diskutovány zejména ty, se kterými je možné se běžně setkat a jejichž účinky jsou sledovány odpovídajícími harmonizovanými normami. Problematika se v mnoha případech týká jak výrobců a dodavatelů, tak realizátorů a provozovatelů zařízení. Významnou otázkou je vhodná volba prostředků pro zmírňování účinků takového rušení, které jsou v současné době nabízeny.
1. Úvod
V předchozí části seriálu o elektromagnetické kompatibilitě (EMC) byla uvedena přehledná klasifikace elektromagnetických rušivých jevů, přičemž zvláštní pozornost byla věnována třídění podle kmitočtu rušivého jevu. V tomto pokračování je středem zájmu rušení způsobované na nízkých kmitočtech. Tato oblast někdy bývá neprávem podceňována; to logicky vyplývá ze skutečnosti, že dominantní projevy elektromagnetického rušení byly původně známy především jako rušení rádiového příjmu, tedy ve vysokofrekvenční oblasti. Větší instalované výkony a větší počet instalovaných nelineárních spotřebičů v současné době významně ovlivňují kvalitu napájecích sítí i v oblasti rušení nízkými kmitočty. O sinusovém průběhu napájecího napětí a proudu v rozvodných sítích lze v současnosti hovořit pouze s jistou nadsázkou. Problematika nízkofrekvenčního rušení tak nabývá na významu, zpřísňují se požadavky na emise i odolnost. Také počet předepisovaných zkoušek emisí i odolnosti roste a zkoušky se týkají i jevů, které dříve nebyly sledovány.
K omezování rušení se používají dvě základní metody: snižování emisí a zvyšování odolnosti připojovaných zařízení. Tak je také článek koncipován. V návaznosti na předchozí dělení je věnován rušením po napájecím vedení v rozsahu kmitočtů do 9 kHz, tj. především síťového kmitočtu a jeho harmonických. Další jevy, často spojované se síťovým napájením, jako jsou různé přechodové přepěťové jevy, budou vzhledem k jejich kmitočtovému spektru uvedeny v části věnované vysokofrekvenčnímu rušení.
Následující výklad se omezuje především na nejvýznamnější nízkofrekvenční rušivé jevy, jejichž působení je u výrobků a v rozvodných sítích sledováno a limitováno normami.
2. Emise
2.1 Emise harmonických síťového proudu
2.1.1 Vznik harmonických
Vznik harmonických síťového proudu je spojen zejména s nelineárními spotřebiči připojovanými k elektrické rozvodné síti. Obecně lze říci, že jde o spotřebiče, jejichž impedance se v průběhu periody síťového kmitočtu mění. Změna může být způsobena např. přesycováním magnetického obvodu transformátoru nebo nejčastěji funkcí polovodičových součástek. Typickým, nyní nejrozšířenějším případem je polovodičový usměrňovač, zejména s vyhlazovacím kondenzátorem na výstupu (usměrňovač napětí). Ten lze nalézt jako vstupní síťový blok téměř u všech elektronických zdrojů, včetně spínaných (SMPS) nebo měničů frekvence. Značný instalovaný výkon takového charakteru je dán nejen velkým jednotkovým výkonem např. průmyslových měničů frekvence pro pohony a další aplikace, ale také značným počtem instalovaných jednotek např. síťových zdrojů pro počítače a další elektronická zařízení, elektronických předřadníků kompaktních zářivek apod. Nepříjemná je také případná velká koncentrace takových nelineárních spotřebičů zejména v administrativních centrech s masovým využitím výpočetní techniky ve spojení s moderním úsporným osvětlením. Příklady síťového proudu běžného počítačového zdroje v kancelářském prostředí a průmyslového třífázového měniče ve zvláště zarušené podnikové síti jsou uvedeny na obr. 1.
Obr. 1. Průběhy napětí a proudu zaznamenané na vstupu vybraných zařízení
Harmonické složky síťového proudu emitované spotřebiči mají některé nepříznivé důsledky působicí na kvalitu elektrické energie, pro které je třeba velikost těchto složek pokud možno omezovat.
Harmonické proudu vytvářejí na impedanci sítě úbytky, které způsobují nesinusový tvar napětí – vytvářejí harmonické složky síťového napětí. V síti mohou tyto harmonické napětí nepříznivě ovlivňovat další připojené spotřebiče – zvyšovat proud kondenzátorů, způsobovat pulsační momenty elektromotorů, a tím zvyšovat jejich ztráty, hluk a mechanické chvění, podobně se nepříznivě projevovat i u transformátorů apod. Velikost deformace síťového napětí závisí na síťové impedanci i výkonu připojovaného spotřebiče. To se zpravidla vyjadřuje prostřednictvím poměru zkratového výkonu sítě Ssc v místě připojení spotřebiče a jmenovitého výkonu tohoto spotřebiče Sequ jako tzv. zkratový poměr (pro třífázové spotřebiče)
Rsce = Ssc/Sequ (1)
Čím je Rsce větší, tím je nepříznivý vliv spotřebiče menší.
U třífázových symetrických zátěží sestavených z jednofázových nelineárních spotřebičů symetricky rozložených do všech tří fází se harmonické proudu řádů násobků 3 (n = 3, 9, 15 ...) ve středním vodiči navzájem nevykompenzují, ale naopak sčítají. Tím často dochází k nepředpokládanému přetížení tohoto vodiče, který také vlivem úbytků napětí bude mít v různých připojovacích bodech sítě různé potenciály vzhledem k zemi. To může způsobovat mnoho problémů souvisejících s takto vznikajícími vyrovnávacími proudy.
Harmonické složky síťového proudu se zpravidla nepodílejí na vytváření činného výkonu, ale zvětšují zdánlivý příkon nelineární zátěže. To znamená často podstatné zhoršení účiníku odebíraného výkonu l = P/S, a tedy nárůst celkové efektivní hodnoty síťového proudu, vzrůst ztrát v rozvodném systému a požadavky na jeho odpovídající dimenzování (v síti s deformovaným proudem nelze účiník vyjadřovat jako cos j, protože fázový posun nesinusového proudu proti napětí není definován a ani by nezahrnoval vliv harmonických!).
Při určitých konfiguracích rozvodné sítě může nastat stav, kdy indukční složky zátěží spolu s kompenzačními kondenzátory vytvoří paralelní kmitavý LC obvod náhodně rezonující s některou harmonickou složkou síťového proudu. Při takové rezonanci výrazně vzroste odpovídající harmonická složka síťového napětí, což může vést až k havárii. Proto se v současné době tam, kde lze výskyt harmonických síťového proudu předpokládat, používají tzv. zatlumené kompenzační kondenzátorové baterie, kdy do série s kondenzátorem je zařazena taková tlumivka, aby vlastní kmitočet tohoto sériového kmitavého obvodu byl nižší než nejnižší očekávaný kmitočet harmonických (zpravidla menší než 250 Hz). Při volbě kmitočtu je ovšem třeba se vyhnout hodnotám, na nichž mohou pracovat signály v síti, zejména signály hromadného dálkového ovládání (HDO).
2.1.2 Měření vlivu harmonických
Deformace síťového proudu harmonickými složkami se hodnotí těmito ukazateli (viz [1] a [4], I1 je základní složka proud a In proud n-té harmonické):
poměrný procentní obsah jednotlivých harmonických složek proudu vztažený k hodnotě základní složky proudu (100 In/I1), sloužící jako emisní mez zejména pro liché harmonické nižšího řádu, zpravidla do n = 13,
celkové harmonické zkreslení (Total Harmonic Distortion – THD), obvykle opět udávané v procentech
sloužící jako emisní mez celkové deformace proudu všemi uvažovanými harmonickými složkami,
dílčí vážené harmonické zkreslení (Partial Weighted Harmonic Distortion – PWHD, v procentech)
sloužící jako emisní mez zvýrazněného podílu harmonických vyššího řádu, které nepostihuje první z ukazatelů.
2.1.3 Zmenšování vlivu harmonických
Prostředky používané ke zmenšení nepříznivých účinků emise harmonických proudu lze rozdělit do dvou velkých skupin: na prostředky pro omezení emise harmonických jednotlivých spotřebičů a na prostředky pro kompenzaci harmonických skupiny spotřebičů.
U jednotlivých spotřebičů se zmenšení emise harmonických docílí úpravou tvaru odebíraného proudu při použití tzv. korektorů účiníku (Power Factor Corrector – PFC). Často se používají u usměrňovačů napětí, jejichž účiník je bez opravných prostředků zpravidla nevyhovující. Rozlišují se pasivní a aktivní PFC.
Pasivní PFC je sestaven z přídavných indukčností buď ve stejnosměrném výstupu usměrňovače napětí, nebo v jeho síťovém přívodu. Tuto úpravu zpravidla zajišťuje výrobce spotřebiče tak, aby výrobek vyhověl platným normám a mohl být uveden na trh. U spotřebičů většího výkonu někdy jde o tzv. podmíněné připojení, kdy výrobce není schopen zajistit požadavky norem pro připojení v libovolném místě, a proto v dokumentaci uvádí minimální zkratový poměr Rsce (viz výše), který musí projektant, popř. provozovatel zajistit v místě připojení.
Obr. 2. Aktivní korekce účiníku
Aktivní PFC je vytvořen výkonovým tranzistorovým obvodem, který doplňuje nebo nahrazuje obvyklý diodový síťový usměrňovač (obr. 2). Ten při použití pulsně šířkové modulace dosáhne téměř sinusového průběhu síťového proudu, tj. pracuje s té-měř jednotkovým účiníkem. Spotřebiče s aktivním PFC tedy s rezervou splňují požadavky na omezení emisí harmonických, jsou však poněkud složitější, a tím i nákladnější a je třeba u nich dbát na dobré vysokofrekvenční odrušení. Zajímavou vlastností těchto zapojení je, že pracují s vyšším usměrněným napětím, než odpovídá diodovým usměrňovačům. Tuto skutečnost lze využít ke zvýšení odolnosti proti poklesům síťového napětí.
Emise harmonických proudů v síti pro skupinu různých spotřebičů lze omezit použitím pasivních či aktivních filtrů.
Pasivní filtr je tvořen skupinou sériových LC obvodů připojených do sítě jako zátěž, z nichž každý je naladěn na kmitočet některé vyskytující se harmonické, a představuje tak pro ni zkrat. Proud každé harmonické se tak uzavírá mezi zdroji (nelineárními spotřebiči) a svým laděným filtračním obvodem a v síti dále nepůsobí. Nevýhodou takového filtru je to, že zpravidla nelze omezit jeho účinnost pouze na úsek sítě, který má být takto upraven; filtr může „stahovat„ harmonické i z širšího okolí a být přetěžován.
Aktivní filtr je tvořen výkonovým tranzistorovým měničem, který s použitím pulsně šířkové modulace dokáže do sítě dodávat proud rovný proudu harmonických emitovaných nelineárními spotřebiči, avšak s opačnou fází, takže výsledkem je eliminace nežádoucích složek. Jde však o složité a nákladné zařízení, které zatím není běžně používáno. Účinné může být použití hybridních filtrů tvořených kombinací pasivního a aktivního filtru.
2.2 Emise poklesů, kolísání a krátkých přerušení napětí
Příčinou rušivých událostí uvedených v titulku bývají jednak zpravidla nepředvídatelné náhodné elektrické poruchové stavy rozvodné sítě nebo velkých instalací, jednak přechodné jevy spojené se spínáním některých zátěží. Z hlediska omezování rušení má zřejmě smysl zabývat se pouze touto druhou skupinou příčin, které obvykle způsobují přechodné poklesy či periodické kolísání síťového napětí. Takové rušení se nepříznivě projevuje téměř na každém zařízení připojeném k síti, ať jde o přechodné zhoršení vlastností, odběr zvýšeného proudu spojený s tepelným přetížením, nebo při hlubším a delším poklesu napětí i ztrátu funkce. Periodické kolísání napětí v rozsahu kmitočtů od zlomků po několik málo desítek hertzů má zvlášť nepříznivé fyziologické účinky při vnímání kolísání svítivosti žárovek i při velmi malém rozsahu změn napětí; tento jev s názvem flikr (blikání) se proto posuzuje speciálními metodami a jeho úroveň se vyhodnocuje tzv. flikrmetry, které technickými prostředky napodobují citlivostní charakteristiky lidského oka.
K hodnocení poklesů a kolísání napětí se používají tyto ukazatele (viz [2], [3]):
- relativní procentní ustálená změna napětí,
- relativní procentní přechodná změna napětí po stanovenou maximální dobu (zlomky sekund),
- relativní procentní maximální změna napětí,
- dlouhodobá míra vjemu flikru vyhodnocovaná po dobu několika hodin,
- krátkodobá míra vjemu flikru vyhodnocovaná po dobu několika minut.
Hodnoty emisních mezí pro změny napětí jsou dány pro stanovené četnosti opakování.
Změny napětí závisejí nejen na velikosti odebíraného síťového proudu, ale i na impedanci sítě v místě připojení. Pro stanovení mezí a vyhodnocování jejich splnění se proto vychází z dohodnuté hodnoty tzv. vztažné impedance sítě Zref, která je normami stanovena hodnotou (0,24 + j 0,15W) pro fázový vodič a (0,16 + j 0,10) W pro střední (nulový) vodič. Pokud při těchto hodnotách spotřebič emisním mezím nevyhoví, musí výrobce uvést požadavky pro tzv. podmíněné připojení, tj. maximální přípustnou hodnotu síťové impedance v místě připojení (menší než Zref), kterou musí projektant či provozovatel zajistit. Velikost této impedance lze určit ze zkratového výkonu sítě Ssc v místě připojení.
Výběr prostředků použitelných ke zmenšení nepříznivých účinků emise poklesů a kolísání napětí není příliš rozsáhlý. Na prvním místě je třeba zajistit dostatečně „tvrdou„ síť, tj. síť s dostatečným zkratovým výkonem, a tedy dostatečně malou impedancí. V nezbytném případě toho lze docílit posílením sítě paralelním připojením napájecích transformátorů. Dalším prostředkem je použití aktivních filtrů, které jsou schopny nepříliš rychlé změny napětí úspěšně kompenzovat. Vzhledem k jejich příznivému vlivu na kvalitu síťového napájení jsou někdy též označovány jako tzv. síťové kondicionéry.
3. Odolnost
3.1 Posuzování odolnosti
Bylo by jistě přehnané a mnohdy i nereálné požadovat od jakéhokoliv elektrického zařízení, aby každému elektromagnetickému rušení odolávalo zcela bez jakýchkoliv vlivů na svou běžnou činnost. Podle charakteru zařízení a jeho významu i podle charakteru rušení se rozlišují tři stupně odolnosti – tzv. funkční kritéria A, B a C.
Funkční kritérium A požaduje, aby funkce zařízení nebyla rušením v praxi ovlivněna – zařízení musí v průběhu rušení i po jeho skončení pracovat podle svého určení. Nanejvýš může rušení způsobit dočasné přípustné zhoršení činnosti v rámci mezí stanovených výrobcem.
Funkční kritérium B připouští dočasné zhoršení činnosti i mimo stanovené meze po dobu působení rušení. Po jeho skončení musí zařízení opět pracovat podle svého určení. Nepřipouští se však, aby rušení způsobilo změnu aktuálního provozního stavu zařízení nebo ztrátu uložených dat.
Funkční kritérium C dovoluje dočasnou ztrátu funkce zařízení v důsledku rušení. Po ukončení rušení se funkce zařízení obnoví buď samočinně, nebo zásahem v řízení – např. restartem.
V každém případě však zařízení musí být natolik odolné, aby se vlivem rušení nestalo nezpůsobilým nebo nebezpečným. Například je nepřípustné, aby řídicí počítač v důsledku poklesu nebo výpadku napájecího napětí vyvolal v řízeném systému nežádoucí zásah, který by mohl způsobit nebezpečí.
3.2 Ověřování odolnosti
Odolnost výrobku se ověřuje jeho vystavením působení uměle vytvořeného rušivého jevu předepsaného průběhu, který simuluje možné skutečné rušení. Odezva výrobku na takovou zkoušku se posuzuje podle již uvedených funkčních kritérií.
V současné době je vydáno několik základních norem, které předepisují jednotlivé zkoušky odolnosti proti nízkofrekvenčnímu síťovému rušení, tvary a úrovně umělých rušivých signálů i požadavky na zařízení k jejich vytváření, a to pro:
- magnetické pole síťového kmitočtu: ČSN EN 61000-4-8,
- krátkodobé poklesy napětí, krátká přerušení a pomalé změny napětí: ČSN EN 61000-4-11,
- harmonické a meziharmonické napětí včetně signálů: ČSN EN 61000-4-13,
- kolísání napětí: ČSN EN 61000-4-14,
- napěťová nesymetrie třífázového napětí: ČSN EN 61000-4-27,
- kolísání kmitočtu sítě: ČSN EN 61000-4-28.
Aktuální seznam všech platných norem vztahujících se k EMC lze nalézt např. na http://k313.feld.cvut.cz/emc/
Zdaleka ne všechny uvedené zkoušky však jsou pro hodnocení EMC doposud vyžadovány. Je tomu tak z několika důvodů. Některé rušivé jevy se uplatňují pouze v úzkých skupinách výrobků (magnetické pole pouze u některých typů zobrazovačů – displejů a monitorů, kolísání kmitočtu pouze u výrobků napájených z neveřejných izolovaných sítí apod.). V jiných případech je zase zkušební zařízení tak nákladné, že většina výrobců by zatím neměla možnost si odolnost svých výrobků ověřit. Lze však právem očekávat, že soubor požadovaných zkoušek se postupně bude rozšiřovat. Zatím se však kmenové normy odolnosti i většina výrobkových norem, tj. harmonizované normy předepsané pro hodnocení výrobku po stránce EMC, omezují na požadavek odolnosti proti krátkodobým poklesům a přerušením síťového napájecího napětí (viz [5]).
3.3 Zvýšení odolnosti proti poklesům a přerušením napětí
Základní odolnost musí výrobkům zajistit výrobce tak, aby výrobek vyhovoval požadavkům harmonizovaných norem. Většina současných elektronických zařízení se síťovým usměrňovačem (spínaným zdrojem) úspěšně odolává krátkodobým výpadkům napětí v trvání řádově zlomků sekundy díky dostatečně velkému filtračnímu kondenzátoru. Podobně tyto zdroje, pokud jsou vybaveny účinnou stabilizací výstupního napětí, mohou pracovat ve značně širokém rozmezí síťového napájecího napětí, takže odolávají i jeho poklesům. V ostatních případech musí výrobce zajistit alespoň splnění předepsaných méně přísných funkčních kritérií B nebo C.
Přídavným prostředkem pro zvýšení odolnosti proti poklesům napětí může být aktivní filtr (síťový kondicionér), zmíněný v závěru předchozí kapitoly článku. Další možností je zálohované napájení ze zdroje nepřerušovaného napájení.
Obr. 3. Blokové schéma UPS s dvojí přeměnou
Zdroj nepřerušovaného napájení (Uninterruptible Power Source – UPS) představuje téměř dokonalý prostředek pro potlačení síťových rušivých jevů na napájená zařízení (viz např. [6]). V současné době nejlepší provedení UPS s dvojí přeměnou se skládá ze síťového usměrňovače, stejnosměrného meziobvodu se zásobníkem energie (akumulátorová baterie) a výstupního střídače (obr. 3). V běžném režimu činnosti, kdy napětí v síti odpovídá požadavkům, je akumulátor udržován v nabitém stavu a zátěž je napájena přes usměrňovač a střídač energií ze sítě, ovšem s uměle vytvářeným požadovaným tvarem, velikostí i kmitočtem střídavého napětí, nezávisle na síti. V zálohovacím režimu při výpadku síťového napájení střídač čerpá energii z akumulátoru, aniž by byla kvalita výstupního napětí jakkoliv ovlivněna. Takto může UPS trvale zlepšovat kvalitu dodávané elektrické energie a vykrývat výpadky až v trvání řádově hodin. V současné době se realizují i další možnosti akumulace energie pro zálohování, jakými jsou např. superkondenzátory nebo setrvačníky s magnetickými závěsy umístěné ve vakuu a spojené s elektrickým strojem pracujícím jako motor nebo generátor. Zdrojem pro dlouhodobé, popř. trvalé zálohování je dieselagregát.
4. Závěr
Obecné povědomí technické veřejnosti o rušení v oblasti nízkých kmitočtů není, snad kromě poklesů a výpadků napájecího napětí, příliš velké. V mnoha případech však má velmi nepříjemné důsledky a potlačit ho nebývá ani jednoduché ani levné. Typické také je, zejména u zařízení větších výkonů, že tyto problémy nelze řešit u výrobce, ale záleží rovněž na odpovídajícím projektu, instalaci a někdy i provozování zařízení a že se problematika EMC v této oblasti dotýká i mnoha uživatelů.
Literatura:
[1] ČSN EN 61000-3-2:2001 EMC – Meze pro emise harmonického proudu (zařízení se vstupním fázovým proudem do 16 A včetně).
[2] ČSN EN 61000-3-3:1997 EMC – Omezování změn napětí, kolísání napětí a flikru v rozvodných sítích nn pro zařízení se jmenovitým fázovým proudem předmětem podmíněného připojení.
[3] ČSN EN 61000-3-11:2001 EMC – Omezování změn napětí, kolísání napětí a flikru v rozvodných sítích nn. Zařízení se jmenovitým proudem tem podmíněného připojení.
[4] ČSN EN 61000-3-12:2005 EMC – Meze harmonických proudů způsobených zařízením se vstupním fázovým proudem > 16 A a m k veřejným sítím nn.
[5] ČSN EN 61000-4-11:2005 EMC – Zkušební a měřicí technika – Krátkodobé poklesy napětí, krátká přerušení napětí a pomalé změny napětí – Zkoušky odolnosti.
[6] ŽÁČEK, J.: Záložní zdroje elektrické energie. Automa, 2001, roč. 7, č. 3, s. 18–21.
Odkazy na internet:
http://k313.feld.cvut.cz/emc/
doc. Ing. Jaroslav Žáček, CSc.
(zacek@fel.cvut.cz),
Ing. Karel Künzel, CSc.
(kuenzel@fel.cvut.cz),
katedra elektrotechnologie,
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze
|