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 rušení Jsou zde uvedeny jak postupy pro exaktní výpoèty harmonických proudù, tak i zjednodušené 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 všechny, kteøí se chtìjí dozvìdìt více o polovodièových mìnièích, a to nejen z jejich kladné stránky Projektanti a konstruktéøi najdou návod na výpoèty harmonických proudù, uživatelé mìnièù si mohou snadno zjistit jejich projevy v závodových sítích, možnosti jejich zjiš ování a soulad s normami Václav Kùs Vliv polovodièových mìnièù na napájecí soustavu Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena 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 odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Recenzoval Prof Ing František Vondrášek, CSc Všechna práva vyhrazena Doc ing Václav Kùs, CSc, Praha 2002 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 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 širší veøejnosti obvykle spojuje možnost užití 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 širším kontextu opìt rušení televizí a podobných zaøízení V dnešní dobì, kdy jsou stále více nasazována polovodièová zaøízení, je však celkový instalovaný výkon takový, že rušení, jak se nìkdy nesprávnì zkrácenì elektromagnetické kompatibilitì øíká, se projevuje i ve frekvencích velmi nízkých, blízkých nìkolika málo násobkùm základní frekvence sítì Takovému rušení pak øíkáme nízkofrekvenèní rušení Literatura se nízkofrekvenèním rušením 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 ŽeŸelenka [78] Pouze negativními úèinky mìnièù se zabývají knihy od Klosse [29], [30] Od dob vydání tìchto knih však pokrok výkonové polovodièové elektroniky velmi pokroèil Namátkou jmenujme pulzní usmìròovaèe a zejména mìnièe kmitoètu s napì ovými støídaèi Pøestože 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 rušením 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 každá kapitola vìnována jinému druhu mìnièù, vèetnì tìch nejnovìjších V každé 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 též podìkoval kolektivu spolupracovníkù z Katedry výkonové elektroniky Západoèeské univerzity v Plzni za mnohé cenné rady a pøipomínky, které mi umožnily knihu dopsat Mùj dík patøí též Grantové agentuøe Èeské republiky, s jejichž 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 zjednodušených 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 uvažování reálných parametrù 34 3 2 1 Výpoèet proudu procházejícího tyristorem 34 3 2 2 Zvlnìní ve stejnosmìrném obvodu 37 3 2 3 Vliv úhlu komutace 38 3 2 4 Vliv úhlu øízení 39 3 2 5 Výsledky numerické analýzy 39 3 2 6 Ukázka namìøených prùbìhù z praxe 41 3 2 7 Harmonické proudy pøi pøerušovaných proudech motoru 42 3 2 8Harmonické 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

8 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 napì ovým støídaèem 66 8 1 Harmonické proudy mìnièe kmitoètu s napì ovým støídaèem pøi zjednodušených podmínkách èinnosti 66 8 1 1 Harmonická analýza proudu jednofázového mùstku 67 8 1 2 Harmonická analýza proudu tøífázového mùstku 68 8 1 3 Zobecnìný amplitudový zákon 69 8 1 4 Zpøesnìný popis prùbìhu proudu odebíraného mìnièem 70 8 2 Mìniè kmitoètu s napì ovým støídaèem pøi uvažování reálných parametrù 73 8 2 1 Základní model obvodu 73 8 2 2 Indukènost v obvodu na stranì usmìròovaèe, jednofázové spojení 75 8 2 3 Tøífázový mùstek, indukènost na stranì usmìròovaèe 81 8 2 4 Støídaè, pøipojený ke stejnosmìrnému obvodu 84 8 2 5 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 Simulaèní model mìnièe 87 8 3 2 Prvky použité v modelu mìnièe 88 8 3 3 Vliv kondenzátoru ve stejnosmìrném obvodu 89 8 3 4 Vliv napájecí soustavy na harmonické proudy mìnièe kmitoètu 90 8 3 5 Vliv indukènosti ve stejnosmìrném meziobvodu mìnièe 96 8 3 6 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 sí ového zdroje 106 8 6 2 Základní konfigurace výkonových obvodù impulzních zdrojù 107 8 6 3 Moderní øešení spínacích zdrojù 107 8 7 Harmonické proudy mìnièù kmitoètu s napì ovým støídaèem a normy 108 9 Harmonické proudy pulzních usmìròovaèù 110 9 1 Základní vlastnosti pulzních usmìròovaèù 110 9 1 1 Napì ové pulzní usmìròovaèe 110 9 1 2 Proudové pulzní usmìròovaèe 112 9 2 Výpoèty harmonických proudu pulzních usmìròovaèù 114 9 3 Mìøení pulzního usmìròovaèe napì ového 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 Souèasná práce vìtšího poètu mìnièù 125 10 3 Statistické vyhodnocení 127 10 4 Souèasná práce mìnièù kmitoètu 129 10 5 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 Pøedmìt a rozsah použití normy 133 11 2 2 Charakteristiky mìøeného signálu 134 11 2 3 Všeobecné požadavky na pøístrojovou techniku 134 11 2 4 Požadavky na pøístrojovou techniku pracující v èasové oblasti 135 11 2 5 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 používaných okének 142 11 4 2 Porovnání oken 143 11 4 3 Doporuèené využití oken 143 11 5 Zpracování výsledkù mìøení 144 11 5 1 Použití statistiky 144 11 5 2 Èasové závislosti namìøených velièin 144 11 5 3 Frekvenèní závislosti namìøených velièin 145 11 5 4 Znázoròované parametry 145 11 6 Ukázky mìøených velièin 146 12 Normy a EMC v nízkofrekvenèním rušení 153 12 1 Základní zákony a naøízení o EMC 154 12 2 Popisy nejdùležitìjších norem nízkofrekvenèního rušení 159 12 2 1 ÈSN IEC 1000-2-1 159 12 2 2 ÈSN EN 61000-2-2 160 12 2 3 ÈSN EN 61000 2 4 161 12 2 4 ÈSN EN 61000 3 2 162 12 2 5 IEC 61000-3-4 163 12 2 6 ÈSN EN 61000-4-x 164 12 2 7 Normy pro vysokofrekvenèní rušení 164 12 3 Vyhledávání platných norem 165 13 Literatura 167 14 Použité znaèky 172 Knihy nakladatelství BEN technická literatura 176 10