VŠB-Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroniky ZPĚTNÉ VLIVY POLOVODIČOVÝCH MĚNIČŮ NA NAPÁJECÍ SÍŤ Studijní text úvodní část Prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc. Ostrava 2004
Úvod do EMC polovodičových měničů Vzrůstající počet výkonových polovodičových měničů představuje vážné nebezpečí pro narušení činnosti nejen okolních slaboproudých a telekomunikačních zařízení, ale i sama sebe. Důvodem je vznik elektromagnetického rušení při činnosti měniče, zejména pak při spínání polovodičových součástek. Schopností zařízení pracovat v podmínkách elektromagnetického rušení, tj. jeho citlivostí na rušení, a zároveň minimalizací vyzařování rušivých elektromagnetických polí se zabývá oblast EMC - elektromagnetické kompatibility. Výkonový polovodičový měnič je typickým příkladem symbiózy výkonové části jako silného zdroje rušení a řídicího, např. mikroprocesorového systému jako citlivého přijímače v jednom celku. Požadovaný elektromagnetický soulad je obsažen v definici EMC, která hovoří o zajištění normálního chodu zařízení, přičemž svým rušením dané zařízení neohrožuje zařízení jiná. Pojem normální funkce zařízení znamená, že spotřebič (stroj, zařízení, přístroj nebo systém) je tolerantní k jiným, tj. není citlivý na rušení přítomná ve svém prostředí, je proti němu odolný, tj. má malou susceptibilitu (citlivost) a dostačující odolnost (imunitu), Funkce bez vytváření nepřípustného elektromagnetického rušení znamená, že spotřebič nezpůsobí rušením, které produkuje, potíže jiným, tj. jeho rušení nebude mít za následek elektromagnetickou interferenci do jiných spotřebičů (strojů, přístrojů, zařízení nebo systémů). Hovoříme tedy o dvou aspektech elektromagnetické kompatibility, viz obr. 1. Elektromagnetická kompatibilita Elektromagnetická emise Elektromagnetická citlivost na rušení Obr. 1. Rozdělení EMC na základní problémové oblasti Pojmy elektromagnetická emise a elektromagnetické rušení jsou v některých případech vzájemně zaměnitelné, jak je to patrno v porovnání jejich definic. Norma IEC 1000-1-1 definuje rušení jako jakýkoliv elektromagnetický jev, který může zhoršit činnost přístroje, zařízení nebo systému, a emisi jako jev, při němž elektromagnetická energie vychází ze zdroje. Má-li spotřebič vlastnost být elektromagneticky kompatibilní v konkrétním prostředí, neznamená to ještě, že bude kompatibilní i v jiném prostředí. Proto spotřebič projektujeme vždy do určitého prostředí, definovaného jeho třídou, určitou úrovní rušení a úrovní odolnosti, které nepřesahují příslušné meze rušení a meze odolnosti. Vztah mezi termíny úroveň a mez je dle ČSN EIC 1000-1-1 následující:
Úroveň rušení je rušení generované konkrétním spotřebičem měřené předepsaným způsobem, kdežto mez rušení je maximálně dovolená úroveň rušení. Úroveň odolnosti je maximální úroveň rušení působícího na konkrétní spotřebič, při kterém se nevyskytuje zhoršení provozu, kdežto mez odolnosti je nejnižší požadovaná úroveň odolnosti. Důležitými pojmy přímo souvisejícími s uvedeným, jsou pojmy kompatibilní úroveň a rezerva elektromagnetické kompatibility. Pod kompatibilní úrovní rozumíme předepsanou úroveň rušení, při níž by měla být přijatelně vysoká pravděpodobnost EMC. Rezervou rušení je poměr úrovně EMC a meze rušení, rezervou odolnosti je poměr meze odolnosti a úrovně EMC. Rezervou EMC je poměr meze odolnosti a meze rušení. Obr.2. graficky zobrazuje uvedené pojmy meze, úrovně a kompatibilní úrovně. Obr. 2. Meze a úrovně pro jednotlivý zdroj rušení a rušený objekt jako funkce nezávisle proměnné (například kmitočtu) Obr.č. 2. ukazuje příklad soustavy úrovně rušení, odolnosti a kompatibility a k nim přidružené meze jako funkci nějaké nezávisle proměnné, například kmitočtu, pro jednotlivé typy zdroje rušení - rušený objekt. Úroveň rušení musí být vždy nižší než maximální přípustná úroveň, tj. mez rušení. Úroveň odolnosti musí být vždy větší než minimální požadovaná úroveň, tj. mez odolnosti. Jen v tomto případě zdroj rušení a rušený objekt vyhovuje svým předepsaným mezím v příslušných normách. Mez odolnosti má být vyšší než mez rušení, protože jen tak bude zaručena dostatečná rezerva EMC. Rozdíl mezi úrovní rušení a úrovní odolnosti je rezervou těchto veličin při návrhu zařízení (předpokládá se, že veličina je vyjádřena v db). Tato rezerva zajišťuje, že hotové zařízení s velkou pravděpodobností vyhoví mezím při provádění zkoušek EMC. Správně navržená rezerva má mimořádný význam pro výrobce. Žádnou normou není stanovena a je záležitostí výrobce. Je-li zvolena příliš velká, vede ke zbytečnému zvýšení nákladů na odrušení a zvětšuje rozměry a váhu odrušovacích prostředků a tím i celého zařízení. Je-li zvolena příliš malá, je zde velké riziko, že zařízení nevyhoví při zkouškách a musí být dodatečně odrušováno, což je záležitost ještě nákladnější a nepříjemnější než v předchozím případě. Kompatibilní úroveň se nachází mezi mezemi odolnosti a rušení a vyjadřuje se ve stejných jednotkách jako úroveň rušení v případě, že se jedná o stejný charakter rušení. Můžeme-li ovlivnit (přizpůsobit) elektromagnetické prostředí, do něhož je zařízení určeno, například předepsáním třídy prostředí (ve smyslu požadavku norem řady IEC 1000-4), v němž zařízení
bude provozováno, potom volíme kompatibilní úroveň jako první a od ní odvozujeme meze odolnosti a meze emisí. Nemůžeme-li ovlivnit elektromagnetické prostředí, kde zařízení bude pracovat, volíme kompatibilní úroveň na základě existující nebo očekávané úrovně rušení za předpokladu, že tato úroveň se nebude zvětšovat při instalaci dalších zařízení. Potřeba mít dostatečnou rezervu je dána neurčitostí skutečné hodnoty konečné úrovně rušení. Proto kompatibilní úroveň rušení musí být taková, aby zaručila přijatelně vysokou pravděpodobnost EMC. K zajištění vysoké pravděpodobnosti EMC zásadním způsobem přispívá snížení elektromagnetické emise zdrojů rušení. Nejčastějšími prostředky pro potlačení elektromagnetických rušení jsou stínění spolu s pospojováním a zemněním, filtrace a změna designu. Všechny tyto prostředky však zahrnují dodatečné úpravy zařízení vyzařující nepřípustné rušení. Postup dodatečného odrušení se projevuje jako velmi náročný a zbytečně nákladný, neboť vychází z úprav již vyrobeného zařízení. Podstatně výhodnější je použití zařízení, jehož elektromagnetické rušení je z důvodu použitého principu podstatně menší, takže je podstatně menší pravděpodobnost dodatečných úprav. Výkonové polovodičové měniče, které jsou součástí elektrických regulovaných pohonů produkují kvaziimpulsní rušení, šířící se jak přes napájecí síť parazitními vazbami uvnitř případně i vně objektu, tak elektromagnetickým polem vyzářeným výstupním kabelem měniče, případně samotným elektrickým strojem daného pohonu. Nejúčinnějšími přijímači i vysílači rušivého elektromagnetického pole elektrotechnických systémů jsou spojovací vodiče a kabely. Jestliže je kabel ovlivněn rušivým elektromagnetickým polem, vzniknou na jeho koncích rušivá napětí, která po připojení kabelu k přístrojům mohou narušit jejich funkci. Velikost a časový průběh těchto rušivých napětí lze podstatně ovlivnit konstrukcí a montáží vlastních kabelů a kabelových tras. Výkonové polovodičové měniče vyvolávají rušení jak v oblasti nízkofrekvenční, tzv. energetického spektra (je vázáno na kmitočet sítě a posuzováno obvykle do 40. Harmonické, tj. 2kHz pro síť 50 Hz, nejvýše však do 100 harmonické), tak v oblasti vysokofrekvenční v pásmu od 10 khz do 10 GHz. Napěťová úroveň rušivých impulsů se nachází v oblasti voltů až kv. Vyšší harmonické proudu a napětí jsou generovány jak na vstupní, tak výstupní straně měničů. V minulosti se problematika EMC měničů orientovala především na oblast nízkofrekvenčního rušení v energetickém spektru u usměrňovačů a řízených usměrňovačů, tj. obecně měničů komutovaných napájecí sítí. Řešení problémů této skupiny měničů se stalo základem pro tvorbu norem EMC v oblasti elektroenergetiky. V souvislosti s extrémním nárůstem počtu a rozšířením aplikací polovodičových měničů do všech oblastí lidského života je dnes problematika EMC svébytným oborem, který je nezbytný pro aplikace polovodičových měničů v jakékoli oblasti. Příkladem aktuálního problému současnosti je působení nepřímého měniče kmitočtu zejména s napěťovými střídači na asynchronní motor. Vlivem rychlých spínacích procesů a indukčnosti zátěže dochází při spínacích dějích ke komutaci proudu z polovodičového spínače (nejčastěji IGBT) na zpětnou diodu. Tím je generována strmá hrana výstupního napětí měniče a v samotném výkonovém schématu měniče dochází ke strmým změnám proudu. Tento proces je základem celé řady problémů z oboru EMC.
Snaha výrobců o snížení spínacích ztrát zkracováním doby sepnutí a vypnutí výkonové součástky způsobila vyšší úroveň rušení měničů. Kromě vyzářeného rušení v kmitočtových pásmech tzv. radiového rušení dochází např. v soustavě měnič kmitočtu - kabel - motor k nepříznivým jevům, které ovlivňují životnost všech těchto silnoproudých prvků. S ohledem na vysoké strmosti výstupního napětí měniče kmitočtu s napěťovým meziobvodem je nutné celou soustavu - kabel-motor považovat za vedení s rozloženými parametry. Při spínacích pochodech se strmá výstupní napěťová vlna šíří po vedení konečnou rychlostí. Při krátké době nárůstu čela vlny pak může nastat stav, kdy napětí na začátku vedení je již na plné hodnotě, kdežto na konci vedení je napětí ještě nulové, vzniká tedy rozdíl potenciálů. Vzhledem k tomu, že vlnovou impedanci motoru lze považovat za mnohem větší, než impedanci kabelu, lze předpokládat, že na rozhraní kabel - motor dochází k odrazům vlny, která se přičítá k původní vlně. Tím vznikají přepěťové špičky, které svou velikostí zvyšují napěťové namáhání kabelu i izolace motoru a v konečném důsledku výrazně snižují životnost celého pohonu. Tyto jevy jsou závislé na okamžitém stavu střídače a velikostech impedancí, tedy parametrech kabelu, jeho délce apod. a motoru. Pro omezení tohoto rušivého jevu se nejčastěji využívají výstupní filtry, které buď snižují strmost výstupního napětí filtry tzv. du/dt nebo tzv. filtry sinusové, které zajišťují na výstupu měniče vysoký obsah 1. harmonické složky výstupního napětí měniče. Energie vysokofrekvenčních složek je zachycena a z převážné části zmařena ve filtru ať už formou jouleových ztrát v odporech filtru nebo ztrát v magnetickém obvodu filtru. V konečném důsledku tedy filtrace vnáší přídavné ztráty ovlivňující účinnost celého pohonu. Podstatné snížení těchto ztrát může přinést snížení strmosti nárůstu výstupního napětí měničů kmitočtu změnou způsobu spínání polovodičových spínačů. Jednou z cest je využití principu tzv. měkkého spínání, který využívá principy rezonance LC obvodu a zajišťuje spínání při nulovém proudu nebo napětí spínače. Při tomto způsobu spínání již nástupná i sestupná hrana výstupního napětí není definována tvrdou komutací proudu ze spínače na zpětnou diodu, ale průběhem rezonančního děje s definovanými parametry. Použití principu měkkého spínání ve výkonových polovodičových měničích tak kromě podstatného snížení výkonových ztrát spínacích polovodičových součástek a možnosti zvýšení spínacího kmitočtu umožňuje: a) snížení elektromagnetického rušení vzhledem k tvrdému spínání, b) snížení ztrát při filtraci výstupních veličin, c) u měničů kmitočtu pro střídavé elektrické pohony v soustavě střídač-kabel-motor menší napěťové namáhání jednotlivých komponentů a omezení přepětí na motoru.