VŠB-Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroniky ZPĚTNÉ VLIVY POLOVODIČOVÝCH MĚNIČŮ NA NAPÁJECÍ SÍŤ Studijní text Prof. Ing. Petr Chlebiš, CSc. Ostrava červen 2007
Úvod Základní pojmy Polovodičový měnič je zařízení pro přeměnu velikosti, formy a charakteru elektrické energie na jiné, který využívá ke své činnosti spínací polovodičové součástky. Typická přeměna je v tomto smyslu např. změna velikosti efektivní hodnoty napětí (stmívače, regulátory střídavé energie), změna velikosti kmitočtu (měniče kmitočtu), změna napěťového charakteru zdroje na proudový (svařovací zdroje), usměrnění střídavého napětí, změna počtu fází aj. Klasifikaci měničů popisuje následující tabulka. Obr. č. 1 Tabulka rozdělení základních typů polovodičových měničů
Společným a základním rysem výkonových polovodičových měničů je využití spínacího režimu spínacích polovodičových součástek. Kriteriem tedy není výkon měniče, ale spínací režim součástek, které jsou v měniči využívány (diod, tyristorů, bipolárních, nebo častěji unipolárních tranzistorů, IGBT, nebo jiných speciálních spínacích součástek). 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.
Základní pojmy z oblasti zpětných vlivů na napájecí síť Máme-li analyzovat zpětné vlivy měničů na napájecí síť, je nutné vybrat pouze ty z měničů, které jsou přímo ze sítě napájeny. Jedná se o usměrňovače, střídavé měniče a regulátory střídavého proudu, nebo přímé měniče kmitočtu, tzv. cyklokonvertory. Spoluprací těchto základních typů měničů s napájecí sítí se zabývá elektromagnetická kompatibilita měničů (EMC) v oblasti nízkofrekvenčního rušení. Pro řešení uvedené oblasti EMC je spojení síťměnič-zátěž považováno za systém, který je ovlivňován řadou vnitřních i vnější vlivů a má velmi specifickou a často i velmi proměnnou obvodovou konfiguraci. Systémový popis přibližuje následující obrázek. Obr.3 Systémový přístup k analýze zpětných vlivů měničů Pro analýzu celé soustavy z pohledu EMC jsou řešeny tyto základní body: 1. Které parametry ovlivňují chování soustavy z vnějšku dominantní je impedance napájecí sítě, významná je i kvalita napájecího napětí v daném místě. 2. Jakými vlivy působí soustava zpětně na své okolí dominantní jsou změny (nejčastěji poklesy) napětí, harmonické proudu a s těmito veličinami spojený přenos nežádoucího výkonu. 3. Jak problémy uvedené v předcházejících bodech napravit, nebo alespoň zmírnit nejčastěji navržením filtrace nežádoucích veličin, také změnou obvodového, nebo konstrukčního řešení. Uvedený výčet je velice hrubý, proto vytváří pouze základní osu velice složité problematiky spolupráce polovodičových měničů s napájecí sítí. Velmi často je řešena otázka, jak síť ovlivňuje spolupráci měniče se zátěží, příp. obecný problém EMC soustavy měnič zátěž. Touto problematikou se však v rámci tohoto textu nebudeme zabývat. Základní typy spotřebičů připojených k napájecí síti Na napájecí síť jsou připojovány různé typy spotřebičů. Jejich klasifikace je poměrně obsáhlá od dělení podle počtu fází, charakteru z pohledu účiníku pro 1. harmonickou, reverzibility spotřebiče a jiných kritérií. Porovnání spotřebičů pro další analýzu problémů zpětných vlivů podává obr. 4.
Obr. 4 Porovnání základních typů zátěže Odporová zátěž na obr. 4a zajišťuje odběr sinusového spojitého proudu. Je příkladem spojité a lineární zátěže. Přesycená indukčnost L na obr. 4b je zátěž spojitá, ale nelineární, výstupní proud není sinusový. Triakový regulátor žárovky na obr. 4c sice řídí odporovou zátěž (žárovku), ze sítě však odebírá nesinusový proud, který bychom teoreticky mohli označit jako nespojitý. Každý z těchto spotřebičů působí zpětně na napájecí síť jinak. Odpor nemá žádné zpětné vlivy, ale odpor ve spojení s polovodičovým měničem (triakový regulátor žárovky) již představuje pro síť silně rušící zátěž. Různý tvar odebíraného proudu a tedy i zpětné vlivy mají také různé typy měničů připojených na síť, viz. obr. 5. Obr. 5 Charakter odebíraného proudu různých typů usměrňovačů Posuzování zpětných vlivů také zásadním způsobem ovlivňuje typ a konfigurace připojeného měniče. V případě jednocestného usměrňovače na obr. 5a dochází ke vzniku stejnosměrné složky proudu v sekundárním obvodu transformátoru. Tato složka se sice na síť nemůže přenést, vlivem magnetizace transformátoru však dochází k deformování proudu odebíraného ze sítě. V případě dvoupulsního usměrňovače na obr. 5b již stejnosměrná složka nevzniká, průběh proudu odebíraného ze sítě je však opět deformován magnetizací, příp. rozptylovou indukčností transformátoru. Podobná je i situace u třífázového můstkového usměrňovače, kde
je průběh proudu poměrně dobře definován funkcí usměrňovače, avšak jeho průběh je silně nesinusový. Podstata vzniku rušivých vlivů polovodičových měničů Z předchozích obrázků vyplývá, že značná část problémů působených zpětným vlivem měničů na napájecí síť vyplývá z podstaty jejich funkce, která se opírá o princip tzv. fázového řízení. Podstata fázového řízení vyplývá z následujícího obrázku. Obr. 6 Podstata vlivu fázového řízení měničů na napájecí síť Dvoupulsní řízený usměrňovač napájí ve všech případech odporovou zátěž. Při úhlu řízení α = 0 je ze sítě odebírán sinusový proud s fázovým posuvem 0, tzn. sinusový proud je ve fázi s napětím. Pokud opozdíme příchod řídicích pulsů na tyristory o dobu odpovídající úhlu α = α (b), bude již zátěží protékat nesinusový proud, jehož 1. harmonická bude vzhledem k napětí zpožděna o úhel ϕ (1) = ϕ (b). Podobná situace nastane také v případu na obrázku 6c. Přesto, že je na výstupu usměrňovače zapojena odporová zátěž, mění se účiník 1. harmonické odebíraného proudu v závislosti na úhlu řízení usmerňovače α. Jalový výkon, který na 1. harmonické odebírá usměrňovač ze sítě se nazývá řídicí jalový výkon usměrňovače. Tento výkon je dán principem fázového řízení měničů a v podstatě jen velice málo závisí na charakteru zátěže připojené k usměrňovači. Celou situaci vysvětlují průběhy na obr. 7., ve kterém usměrňovač již pracuje se spojitým výstupním proudem vyhlazeným výstupní tlumivkou s L. Κonstantní výstupní proudu by se v ideálním případě na stranu jednofázové sítě promítal jako obdelníkový proud. V důsledku působení transformátoru jako tzv. komutační indukčnosti se však na tvaru přechodových hran projevuje proces komutace
usměrňovače, tj. děje spojeného s přechodem proudu z jedné dvojice sepnutých spínačů na dvojici následující. V důsledku tohoto děje dochází v průběhu komutace, která má dobu trvání označenou μ k současnému vedení proudu v obou tyristorových větvích, což v podstatě způsobí krátkodobý zkrat na výstupu napájecího transformátoru. V této době je napětí na zátěži nulové a veškeré napájecí napětí se přesouvá jako úbytek u x na napájecí transformátor, který podstatně ovlivňuje reaktanci napájecí sítě. Obr. 7 Princip vzniku jalového komutačního výkonu řízeného usměrňovače Z obrázku 8 je zřejmé, že 1. harmonická složka komutačního úbytku u x označená jako u x1 je vzhledem k 1. harmonické napětí posunuta o úhel ϕ ux. Po součinu napětí u x1 s 1.harmonickou proudu nám fázový rozdíl obou veličin vytvoří jalový výkon komutační.
Podobná situace nastává u nejčastěji využívaného šestipulsního řízeného usměrňovače, kde jsou parametry reálné sítě znázorněny komutační indukčností L k. Obr. 8 Napěťové a proudové poměry šestipulsního usměrňovače Z principu jsou děje u šestipulsního usměrňovače stejné jako u dvoupulsního, na komutaci se však podílejí vždy dvě fáze, proto není napětí u k při komutaci nulové, ale je dáno polovinou součtu okamžitých napětí komutujících fází. Odběr jalového řídicího a komutačního výkonu z principu zůstává stejný. Vznik harmonických složek vyšších řádů Výše uvedený rozbor se zabývá poměry v soustavě napájecí síť usměrňovač z pohledu okamžitých hodnot veličin a jejich 1. harmonických. Je zřejmé, že dané průběhy jsou nesinusové, tedy při jejich Fourierově analýze dojde k rozkladu na spektrum s členy vyšších řádů. Celý problém rozdělení zpětných vlivů usměrňovačů je znázorněn na obr. 10.
Problematiku lze rozložit na řešení v oblasti základní harmonické složky (1. harmonické) a harmonických složek vyšších řádů. Způsob analýzy i eliminace zpětných vlivů je pro každou oblast jiný. Obr. 10 Základní rozdělení zpětného působení usměrňovačů na síť Pro jednoduchost uvažujeme idealizovaný (obdélníkový) průběh síťového proudu. Tento proud můžeme pomyslně rozložit na základní 1. harmonickou, jejíž zpětné vlivy budou vázány na vznik jalového výkonu, a proud zahrnující všechny ostatní harmonické, kromě první. Proud je na obr. 10 označen jako doplňkový proud. Ten můžeme rozložit do spektra harmonických vyšších řádů. Působení doplňkové složky proudu bude spojeno především se vznikem tzv. deformačního výkonu D. Podstata deformačního výkonu Nejčastěji používaným způsobem pro vyjádření vztahu mezi činným a jalovým výkonem v soustavě se sinusovými proudy a napětími (platí také pro 1. harmonickou) je zobrazení pomocí vektorového diagramu. Základní vztahy jsou uvedeny na obr. 11. Vystačíme zde se zobrazením v rovině. Pro zavedení deformačního výkonu, který je kvalitativně odlišný, již s plošným zobrazením v Gausově rovině nevystačíme. Poměry jsou zobrazeny na obr. 11.
Deformační výkon je v soustavě s harmonickým napětím a neharmonickým proudem dán součinem napětí a všech harmonických doplňkového proudu. Celkový zdánlivý výkon odebíraný ze zdroje je dán odmocninou ze součtu druhých mocnin činného, jalového a deformačního výkonu. Obr. 11 Deformační výkon v soustavě s polovodičovým měničem Deformační výkon je do napájecí sítě je měničem generován a musí být i k měniči přenášen. Jeho jediným důsledkem však jsou ztráty jak v činných odporech, reaktancích a magnetických obvodech přenosové soustavy, může také v sítích způsobovat rezonance a jiné nepříznivé jevy. Zpětné vlivy měničů na první harmonické Jak již bylo výše uvedeno, problém zpětného vlivu měničů s fázovým řízením na pracovní harmonické spočívá především v odběru jalového výkonu ze sítě. Vztah mezi činným a jalovým výkonem na straně sítě pro různé úhly řízení usměrňovače α jsou znázorňovány nejčastěji tzv. kruhovým diagramem usměrňovače, viz obr. 12. Řízený usměrňovač může z principu pracovat ve dvou režimech. V usměrňovačovém režimu odebírá energii ze sítě a po usměrnění ji dodává do stejnosměrné zátěže. Na stejnosměrné straně však může být spotřebovávána pouze činná energie. Jestliže tuto energii prostřednictvím změny velikosti střední hodnoty výstupního napětí řídíme (zmenšujeme), musí se na straně sítě přebytečná energie projevovat jako jalová. V ideálním případě se fázový posuv a úhel řízení usměrňovače rovnají - α = ϕ (1). Obsahuje-li stejnosměrná zátěž zdroj energie, je možný tzv. střídačový režim usměrňovače, při kterém je stejnosměrná energie ze zátěže dodávána zpět do střídavé sítě. Střídačový režim je prakticky omezen pouze tzv. bezpečnostním úhlem, který zajišťuje spolehlivou komutaci
(tj. vypínání tyristorů). Proto je obvykle α max < 150. Vrácená energie proto bude vždy menší než odebraná. Základní vztahy jsou uvedeny v obr. 12. Obr. 12 Kruhový diagram usměrňovače Z obrázku vyplývá, že nejhorší stav nastává při úhlu α = 90, při kterém má veškerá energie odebraná ze sítě jalový charakter. Protože je tento stav je při provozu usměrňovačů poměrně častý, používají se velice často tzv. polořízená zapojení usměrňovačů, která mají menší odběr jalového výkonu. Neumožňují však střídačový režim. Výše uvedeným způsobem je popsán pouze odběr tzv. jalového řídicího výkonu. Jalový výkon komutační se prakticky zohlední stanovením minimálního řídicího úhlu usměrňovače. Obvykle je minimální úhel α min > 30, tzn. že usměrňovač bude v praxi jen obtížně dosahovat čistě činného odběru výkonu na pracovní harmonické, viz. obr. 12b. Pro dosažení požadavku norem je nutné jalový výkon kompenzovat, což vzhledem k dynamice změn α = ϕ (1) není jednoduché. Srovnání je provedeno na obr. 13.
Pro praktické použití a porovnávání spotřebičů je výhodnější vynášení veličin v poměrných hodnotách (viz. obr.13). Kruhový diagram však poskytuje informace pouze pro ustálený stav řízení, což je v praxi velmi zřídkavé. Pro vyhodnocení poměru při dynamických stavech je nutné statistické vyhodnocení všech výkonů. Obr. 13 Kruhový diagram v poměrných hodnotách Základní zákonitosti výskytu harmonických Výskyt harmonických je u řízených usměrňovačů do značné míry předurčen zapojením měniče, dále je ovlivňován vlastnostmi sítě, příp. nesymetriemi v řízení. V obecné rovině lze spektrum výskytu harmonických popsat vztahem n = k. p ± 1 kde p je počet pulsů usměrňovače (pro m počet fází je p = m u uzlových zapojení, p = 2m pro můstková zapojení), k je přirozené číslo 1, 2, 3,.. Amplituda jednotlivých harmonických je určena vztahem I n = I 1 / n Názorný příklad obecného výskytu harmonických i příklady spektra pro základní typy měničů podává obr. 14. Tyto základní informace obvykle dostatečně poslouží pro prvotní návrh a dimenzování kompenzačních a filtračních zařízení. V praxi jsou obvykle podmínky jiné, platí však pravidlo, že až na speciální případy, kdy mohou v síti vzniknout rezonance na jedné, nebo více harmonických, jsou uvedené hodnoty nejnepříznivější. Teoreticky spektrum usměrňovačů obsahuje jen liché harmonické. V praxi však bývá velice častý vznik sudých harmonických, které vytvářejí ve střídavé sítí stejnosměrné složky. Tento jev je velice nežádoucí.
Obr. 13 Charakteristické spektrum harmonických usměrňovačů
Použitá literatura: 1. Kloss, A.: Stromrichter-Netzrückwirkungen in Theorie und Praxis, AT Verlag Aarau, 1981, ISBN 3 85502 115 5 2. Kůs, V.: Vliv polovodičových měničů na napájecí soustavu. BEN Technická literatura, Praha 2002, ISBN 80-7300-062-8 3. Vondrášek, F.: Výkonová elektronika, sv. II. ZČU Plzeň, 1994