Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA VÝKONOVÝCH ELEKTRONICKÝCH SYSTÉMÙ Praha 2013

Publikace je výstupem výzkumu projektu Grantové agentury Èeské republiky, è. 102/09/1164 Interakce výkonových polovodièových mìnièù s okolím a projektu Ministerstva školství, mládeže a tìlovýchovy ÈR v rámci projektu Regionální inovaèní centrum elektrotechniky (RICE), èíslo projektu CZ.1.05/2.1.00/03.0094. Václav Kùs, Jiøí Skála, Jiøí Hammerbauer Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù 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. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Všechny registrované nebo jiné obchodní známky použité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Veškerá práva vyhrazena Václav Kùs, Jiøí Skála, Jiøí Hammerbauer, Praha 2013 Západoèeská univerzita v Plzni, 2013 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Autorský kolektiv: Prof. Ing. Václav Kùs, CSc. Doc. Ing. Jiøí Skála, Ph.D. Doc. Ing. Jiøí Hammerbauer, Ph.D. Václav Kùs, Jiøí Skála, Jiøí Hammerbauer Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù BEN technická literatura, Praha 2013 1. vydání ISBN 978-80-7300-476-7 (tištìná kniha) ISBN 978-80-7300-477-4 (elektronická kniha v PDF)

OBSAH PØEDMLUVA... 13 1 ÚVOD... 15 2 ZÁKLADNÍ VZTAHY A DEFINICE... 19 2.1 Harmonická analýza... 19 2.4.1 Vyjádøení funkce Fourierovou øadou... 19 2.4.2 Kosinová a sinová Fourierova øada... 20 2.4.3 Komplexní tvar Fourierovy øady... 21 2.4.4 Fourierova transformace, diskrétní Fourierova transformace... 21 2.2 Výkony v obvodech s nesinusovými prùbìhy napìtí a proudù... 22 2.3 Pomìrné hodnoty harmonických, definice zkreslení... 26 2.4 Charakteristické a necharakteristické harmonické, meziharmonické... 27 2.4.1 Základní pojmy... 27 2.4.2 Meziharmonické... 28 2.4.3 Harmonické a meziharmonické ve výkonové elektronice... 29 2.5 Blízké a vzdálené elektromagnetické pole... 32 2.6 Literatura ke kapitole 2... 34 3 ZDROJE RUŠENÍ A KVALITA ELEKTRICKÉ ENERGIE... 35 3.1 Kvalita elektrické energie... 35 3.2 Poruchy v napájecí soustavì, vliv polovodièových zaøízení... 35 3.3 Možnosti šíøení rušení a elektromagnetické vazby... 38 3.3.1 Galvanické rušivé vlivy... 38 3.3.2 Kapacitní rušivé vlivy... 40 3.3.3 Induktivní rušivé vlivy... 43 3.3.4 Rušivá vazba vyzaøováním... 44 3.4 Druhy rušivých signálù a jejich frekvenèní rozsahy... 46 3.4.1 Symetrická a nesymetrická rušivá napìtí a proudy... 50 3.5 Zdroje harmonických, vliv na napájená zaøízení... 51 3.5.1 Zdroje harmonických proudù... 51 3.5.2 Harmonické generované obloukovými pecemi... 52 3.5.3 Elektrotepelné spotøebièe s fázovou regulací výkonu... 52 A 5 Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

3.5.4 Harmonické generované støedofrekvenèním ohøevem... 53 3.5.5 Vlivy hromadného dálkového ovládání... 53 3.5.6 Vliv svìtelných spotøebièù... 54 3.5.7 Zatížení støedního vodièe... 56 3.6 Literatura ke kapitole 3... 57 4 IMPEDANCE SÍTÌ... 59 4.1 Modely pro výpoèty impedance závodové sítì... 61 4.1.1 Napájecí sí... 62 4.1.2 Transformátory... 62 4.1.3 Reaktory... 63 4.1.4 Kondenzátory... 63 4.1.5 Venkovní a kabelová vedení... 64 4.1.6 Asynchronní motory... 64 4.1.7 Synchronní motory... 65 4.1.8 Zátìže nižších napì ových hladin... 65 4.2 Pravidla pro tvoøení celkových modelù... 67 4.3 Charakteristické impedance zaøízení... 68 4.4 Harmonická napìtí... 71 4.5 Rezonance v závodových sítích... 72 4.6 Impedance v trakèních soustavách... 73 4.7 Impedance sítì ve vztahu k normám... 76 4.7.1 Vztažná impedance Z... ref 77 4.7.2 Zkušební impedance Z test... 77 4.8 Literatura ke kapitole 4... 78 5 VLIVY POLOVODIÈOVÝCH ZAØÍZENÍ NA NAPÁJECÍ SOUSTAVU... 79 5.1 Harmonická analýza odebíraných proudù... 79 5.1.1 Amplitudový zákon... 79 5.1.2 Zobecnìný amplitudový zákon... 82 5.1.3 Složitìjší prùbìhy proudù... 86 5.2 Harmonické proudy usmìròovaèù... 89 5.2.1 Idealizované podmínky èinnosti... 90 5.2.2 Vliv úhlu komutace na harmonické proudy... 91 5.2.3 Harmonické proudy usmìròovaèe pøi uvažování reálných parametrù... 93 5.2.4 Necharakteristické harmonické usmìròovaèù... 97 5.2.5 Meziharmonické usmìròovaèù... 101 6 VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER A

5.3 Harmonické proudy mìnièù napìtí... 104 5.3.1 Jednofázový mìniè napìtí s odporovou zátìží... 105 5.3.2 Jednofázový støídavý mìniè napìtí s induktivní a odporovì-induktivní zátìží... 106 5.3.3 Tøífázový støídavý mìniè napìtí s odporovou zátìží... 109 5.3.4 Tøífázový støídavý mìniè napìtí s induktivní a odporovì-induktivní zátìží... 110 5.3.5 Zjednodušený zpùsob výpoètu harmonických proudù mìnièù napìtí... 111 5.3.6 Necharakteristické harmonické a meziharmonické mìnièù napìtí... 112 5.4 Harmonické proudy pøímých mìnièù kmitoètu... 113 5.4.1 Harmonické a meziharmonické vstupního proudu pøímého mìnièe kmitoètu... 115 5.4.2 Amplitudy harmonických a meziharmonických vstupního proudu pøímého mìnièe kmitoètu... 117 5.5 Harmonické proudy nepøímých mìnièù kmitoètu s proudovým støídaèem... 118 5.5.1 Charakteristické harmonické proudy mìnièù kmitoètu s proudovým støídaèem... 118 5.5.2 Meziharmonické proudy mìnièù s proudovým støídaèem... 118 5.6 Harmonické proudy nepøímých mìnièù kmitoètu s napì ovým støídaèem... 119 5.6.1 Harmonické proudy mìnièe kmitoètu s napì ovým støídaèem pøi zjednodušených podmínkách èinnosti... 120 5.6.2 Harmonické proudy mìnièe kmitoètu s reálnými parametry... 121 5.6.3 Indukènost v obvodu na stranì usmìròovaèe, jednofázové spojení... 123 5.6.4 Indukènost v obvodu na stranì usmìròovaèe, tøífázové spojení... 128 5.6.5 Støídaè, pøipojený ke stejnosmìrnému obvodu... 131 5.6.6 Shrnutí poznatkù k prùbìhu proudu, odebíraného mìnièem ze sítì... 134 5.6.7 Necharakteristické harmonické mìnièù kmitoètu s napì ovým støídaèem... 134 5.6.8 Meziharmonické mìnièù kmitoètu s napì ovým støídaèem... 137 5.6.9 Vliv vlastností komponent mìnièe na harmonické proudy a energetické ukazatele... 140 5.7 Vlivy pulzních modulací na harmonické proudy... 150 5.8 Harmonické proudy pulzních usmìròovaèù... 153 5.8.1 Princip pulzního usmìròovaèe napì ového typu... 154 5.8.2 Harmonické vstupního proudu pulzního usmìròovaèe... 154 5.8.3 Vliv velikosti zátìže na velikost harmonických proudù pulzního usmìròovaèe... 156 5.8.4 Vliv spínací frekvence na velikost harmonických proudù pulzního usmìròovaèe... 159 5.8.5 Vliv zkreslení zdroje napìtí na velikost harmonických proudù usmìròovaèe... 160 5.8.6 Harmonické proudových pulzních usmìròovaèù... 161 A 7 Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

5.9 Harmonické proudy pøi souèasné práci více mìnièù... 163 5.9.1 Souèasná práce dvou mìnièù... 164 5.9.2 Souèasná práce vìtšího poètu mìnièù... 166 5.9.3 Souèasná práce vìtšího poètu mìnièù kmitoètu... 168 5.10 Harmonické proudy polovodièových mìnièù a normy... 169 5.10.1 Normy pro harmonické proudy usmìròovaèù... 170 5.10.2 Normy pro harmonické proudy pøímých mìnièù kmitoètu... 171 5.10.3 Normy pro harmonické proudy mìnièù napìtí... 172 5.10.4 Normy pro harmonické proudy mìnièù kmitoètu s napì ovým støídaèem... 172 5.10.5 Normy pro harmonické proudy pulzních usmìròovaèù... 173 5.10.6 Normy pro harmonické proudy souèasnì pracujících mìnièù... 173 5.11 Literatura ke kapitole 5... 175 6 MINIMALIZACE HARMONICKÝCH, FILTRAÈNÌ KOMPENZAÈNÍ ZAØÍZENÍ... 179 6.1 Minimalizace harmonických... 179 6.1.1 Omezení harmonických bez pomoci dodateèných zaøízení... 179 6.1.2 Omezení harmonických instalací dodateèných zaøízení... 180 6.1.3 Omezení harmonických instalací aktivních filtrù... 180 6.2 Kompenzace úèiníku... 181 6.2.1 Princip kompenzace úèiníku... 181 6.2.2 Možnosti umístìní kompenzaèního zaøízení... 183 6.2.3 Technické prostøedky pro kompenzaci úèiníku... 183 6.2.4 Užití kompenzace v dalších oblastech elektrických rozvodù... 185 6.3 Filtraènì kompenzaèní zaøízení... 186 6.3.1 Požadavky na filtry... 186 6.3.2 Základní vztahy pro návrh filtru... 187 6.3.3 Podmínky pro volbu kondenzátorové baterie... 190 6.3.4 Výpoèet z proudové podmínky... 191 6.3.5 Výpoèet z napì ové podmínky... 192 6.3.6 Urèení minimálního instalovaného výkonu... 192 6.3.7 Vliv nekompenzovaných harmonických... 194 6.3.8 Volba kondenzátorové baterie podle potøebného kompenzaèního výkonu... 195 6.3.9 Výpoèet základních parametrù tlumivky filtru... 196 6.3.10 Èinný odpor tlumivky a vliv rozladìní obvodu na úèinnost filtrace... 196 6.3.11 Složitìjší typy filtrù... 197 6.4 Filtraènì kompenzaèní zaøízení jako prvek sítì... 199 6.4.1 Rozdìlení harmonických proudù v síti s instalovaným filtrem... 199 6.4.2 Možnosti vzniku rezonance v sítích s filtry nebo s chránìnou kompenzací... 200 6.4.3 Zpùsoby ladìní filtrù a chránìné kompenzace... 200 6.4.4 Zapínání a vypínání skupiny filtrù... 202 8 VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER A

6.4.5 Vliv filtraènì kompenzaèního zaøízení na napìtí sítì... 202 6.4.6 Interakce filtraènì kompenzaèního zaøízení se signálem HDO... 204 6.5 Øízení kompenzaèního výkonu, spínání kondenzátorù... 206 6.5.1 Pevná a promìnná kompenzace... 206 6.5.2 Problematika pøipnutí kondenzátoru... 207 6.5.3 Základní zpùsoby promìnné kompenzace... 207 6.5.4 Dynamická kompenzace úèiníku... 208 6.6 Aktivní filtry... 210 6.6.1 Paralelní aktivní filtry... 211 6.6.2 Sériové aktivní filtry... 212 6.6.3 Kombinované aktivní filtry... 212 6.6.4 Koncepce aktivních filtrù... 213 6.6.5 Linkový kondicionér... 214 6.6.6 Hybridní filtry... 215 6.6.7 Principy øízení aktivních filtrù... 216 6.7 Literatura ke kapitole 6... 219 7 POKLESY NAPÌTÍ V NAPÁJECÍ SOUSTAVÌ A JEJICH VLIV NA ÈINNOST MÌNIÈÙ... 221 7.1 Poruchy napìtí v napájecí soustavì... 221 7.1.1 Definice krátkodobého poklesu napìtí... 221 7.1.2 Charakter poklesù a krátkodobých pøerušení napìtí... 224 7.1.3 Pøíèiny poklesù a krátkodobých pøerušení napìtí, šíøení poklesù... 224 7.1.4 Mìøení krátkodobých poklesù napìtí... 226 7.2 Možnosti eliminace krátkodobých poklesù a jejich vlivù na spotøebièe... 227 7.2.1 Eliminace poklesù zmìnami v elektrizaèní soustavì... 227 7.2.2 Eliminace poklesù zvýšením odolnosti napájeného zaøízení... 228 7.2.3 Eliminace poklesù napìtí dodateèným zdrojem energie... 229 7.3 Snížení krátkodobých poklesù napìtí dodateènými prostøedky... 230 7.3.1 Vyrovnání napì ového poklesu použitím DVR... 230 7.3.2 Použití spínaných kondenzátorù... 231 7.3.3 Spínání akumulované energie v indukènosti zvyšovacím pulzním mìnièem... 232 7.3.4 Použití akumulátorové baterie, superkondenzátorù a UPS... 234 7.3.5 Použití energie setrvaèníku... 234 7.4 Dùsledky poklesù napìtí na èinnost mìnièù kmitoètu... 235 7.4.1 Pokles napìtí ve stejnosmìrném meziobvodu... 235 7.4.2 Možnost vzniku proudové špièky do kondenzátoru... 236 7.4.3 Možnost vzniku pøepìtí vlivem opìtného zapnutí... 236 7.4.4 Zablokování øízení støídaèe... 236 A 9 Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

7.5 Vliv poklesu napìtí sítì na moment motoru principy... 236 7.5.1 Rychlost poklesu napìtí, vznik proudové špièky pøi obnovì napìtí... 237 7.5.2 Trvalé blokování spínání tranzistorù po poklesu napìtí kondenzátoru... 238 7.5.3 Výrazný pokles napìtí v dobì zablokování tranzistorù... 239 7.5.4 Odblokování spínání tranzistorù po obnovì napìtí... 240 7.5.5 Snížení napìtí motoru... 242 7.6 Omezení vlivu poklesù napìtí prostøedky výkonové a øídicí elektroniky v použitých mìnièích... 243 7.6.1 Použití pulzních usmìròovaèù... 243 7.6.2 Využití øízení støídaèe... 247 7.7 Øešení problému vlivu poklesù napìtí na mìnièe jako celek... 250 7.8 Literatura ke kapitole 7... 251 8 ELEKTROMAGNETICKÁ KOMPATIBILITA VÝKONOVÝCH POLOVODIÈOVÝCH SYSTÉMÙ VE VYSOKOFREKVENÈNÍ OBLASTI... 253 8.1 Základní poznatky... 253 8.2 Zásady projektování výkonových obvodù z hlediska EMC... 253 8.2.1 Propojovací kabely... 254 8.3 Zásady projektování øídicích obvodù z hlediska EMC... 256 8.3.1 Snížení galvanického ovlivòování... 256 8.3.2 Snížení kapacitní rušivé vazby... 257 8.3.3 Snížení induktivní rušivé vazby... 257 8.4 Eliminace vysokofrekvenèního rušení u polovodièových systémù... 258 8.4.1 Snížení rušivého ovlivòování stínìním... 258 8.4.2 Zemnìní obvodù systému mìnièe... 264 8.4.2.1 Jednobodové zemnìní... 264 8.4.2.2 Vícebodové zemnìní... 265 8.4.2.3 Hybridní zemnìní... 266 8.5 Odrušovací filtry... 266 8.6 Omezení nárazových zapínacích proudù mìnièù... 271 8.7 Pøepì ová ochrana polovodièového mìnièe... 274 8.8 Literatura ke kapitole 8... 277 9 EMC NAPÁJECÍCH ZDROJÙ... 279 9.1 Rozdìlení napájecích zdrojù... 279 9.1.1 Lineární napájecí zdroje... 279 10 VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER A

9.1.2 Impulzní napájecí zdroje... 281 9.2 Klasicky øešené sí ové impulzní zdroje... 282 9.2.1 Základní konfigurace sí ových impulzních zdrojù... 282 9.2.2 Blokující mìniè... 283 9.2.3 Propustný mìniè... 283 9.2.4 Dvojèinný mìniè pùl mùstek... 285 9.2.5 Dvojèinný mìniè plný mùstek... 285 9.3 Základní konfigurace vstupního obvodu impulzních zdrojù a jejich harmonické proudy... 286 9.4 Minimalizace vlivu impulzních zdrojù napájecích zdrojù na napájecí sí... 289 9.4.1 Pasivní kapacitní filtr PFC... 289 9.4.2 Pasivní indukèní filtr PFC... 293 9.4.3 Aktivní filtr PFC typu Boost... 296 9.4.4 Aktivní filtr PFC typu Interleaved PFC... 299 9.4.5 Aktivní filtr PFC typu Bridgeless PFC... 299 9.5 Literatura ke kapitole 9... 302 10 NORMY A PØEDPISY V OBLASTI ELEKTROMAGNETICKÉ KOMPATIBILITY... 303 10.1 Základní zákony a naøízení o EMC... 304 10.2 Základní dìlení norem EMC... 305 10.3 Normy EMC v nízkofrekvenèním rušení... 306 10.3.1 ÈSN IEC 1000-2-1... 309 10.3.2 ÈSN EN 61000-2-2... 310 10.3.3 ÈSN EN 61000-2-4... 311 10.3.4 ÈSN EN 61000-3-2... 312 10.3.5 ÈSN EN 61000-3-12... 314 10.4 ÈSN EN 61000-4... 316 10.5 Normy pro vysokofrekvenèní rušení... 317 10.5.1 ÈSN EN 55011... 319 10.5.2ÈSN EN 55014... 321 10.5.3 ÈSN EN 55022... 322 11 MÌØENÍ EMC VÝKONOVÝCH POLOVODIÈOVÝCH SYSTÉMÙ... 325 11.1 Teoretický úvod do mìøení a analýzy harmonických... 325 11.1.1 Pøíklad využití zpìtné Fourierovy transformace... 326 11.1.2 Konvolutorní souèin... 327 A 11 Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

11.2 Mìøení v nízkofrekvenèní oblasti teoretická èást... 328 11.2.1 Zpùsoby mìøení a vyhodnocení harmonických... 328 11.2.2 Volba doby a frekvence vzorkování... 329 11.2.3 Vliv koneèné doby pozorování signálu na jeho spektrum... 330 11.2.4 Antialiasing filtr... 334 11.2.5 Normy pro mìøení v oblasti nízkofrekvenèního rušení... 335 11.3 Mìøení v nízkofrekvenèní oblasti praktické ukázky... 338 11.3.1 Mìøení usmìròovaèù... 339 11.3.2 Mìøení mìnièù napìtí... 340 11.3.3 Mìøení mìnièù kmitoètu... 340 11.3.4 Mìøení pulzních usmìròovaèù... 344 11.4 Specifika mìøení polovodièových zaøízení ve vysokofrekvenèní oblasti... 346 11.4.1 Mìøení vysokofrekvenèního rušení šíøící se vedením... 349 11.4.2 Mìøení rušivých emisí šíøících se vyzaøováním... 352 11.5 Mìøení mìnièù ve vysokofrekvenèní oblasti praktické ukázky... 353 11.6 Mìøení sí ových impulzních zdrojù napìtí... 355 11.7 Literatura ke kapitole 11... 361 12 POUŽITÉ ZNAÈKY... 363 12 VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER A

PØEDMLUVA Nároky na elektrickou energii neustále rostou. Roste a vyvíjí se zejména poèet spotøebièù, které odebírají nesinusový proud. Jedná se nejen o velká a klasická zaøízení (obloukové pece, velké pohony), ale též o zaøízení velmi malých výkonù. Vlivem masivního nárùstu používaných elektronických zaøízení, který je umožnìný na jedné stranì kvalitní souèástkovou základnou a na stranì druhé jejich cenou, stoupá i podíl spotøebièù se zkresleným odbìrem proudu. Pøestože normy u malých spotøebièù pøedepisují urèité meze nelinearity, jsou celkové hodnoty odebíraných nelineárních proudù veliké. To vede ke zkreslení napìtí, vzniku deformaèních výkonù, pøetìžování vedení a dalším nepøíznivým dùsledkùm. V prùmyslových podnicích se neustále zvyšují poèty používaných polovodièových mìnièù. I když jsou èasto výkony jednotlivých mìnièù malé, je jejich množství a výkon takové, že v závodových sítích jejich provozem dochází k nepøíznivým jevùm. Souèasné spolupùsobení v rùzných èástech rozvodù pak vede nejen k deformaci napájecí køivky, ale i ke vzniku rezonanèních jevù. Naopak, vlivem poruch v napájecí soustavì pak mohou mít citlivá elektronická zaøízení problémy nebo dokonce mùže být jejich èinnost zastavena, i když napájecí soustava následnì pracuje normálnì. Novì vyvíjené typy mìnièù jsou neustále sofistikovanìjší. Jejich konstrukce a programové vybavení není provedeno pouze s ohledem na splnìní požadavkù spotøebitele (pohonu), ale souèasnì je brán zøetel i na interakci s napájecí soustavou. Za posledních 20 let došlo k doslova raketovému nárùstu mìnièù. Vlivem nových polovodièových prvkù a s rozvojem øídicí elektroniky jsou splòovány i takové požadavky, které pøed nìkolika lety byly nemožné. Vznikají rovnìž nové struktury mìnièù. To však opìt vede ke vzniku požadavkù na øešení problematiky negativních vlivù mìnièù na sí a k návrhu opravných prostøedkù. Literatura se vzájemným elektromagnetickým ovlivòováním elektrických zaøízení zabývá velmi dlouho. Ve vztahu k polovodièovým zaøízením byla mezi prvními vydána kniha Zpìtný vliv výkonových polovodièových mìnièù na napájecí sí [3.10], vydaná v roce 1979. Zejména vysokofrekvenèní technikou v elektromagnetické kompatibilitì se zabývá kniha Elektromagnetická kompatibilita elektrotechnických systémù. [3.16]. Ve svìtì to jsou napøíklad knihy od Arrilagy [2.2], Pellyho [5.60] nebo ŽeŸelenka [3.22]. Pouze negativními úèinky mìnièù se zabývají knihy od Klosse [5.17], [5.18]. Od dob vydání tìchto knih však pokrok výkonové polovodièové elektroniky velmi pokroèil. V roce 2002 proto vychází kniha Vliv polovodièových mìnièù na napájecí soustavu [5.47]. V této knize je pozornost vìnována zejména klasickým polovodièovým mìnièùm a jejich vlivu na napájecí soustavu. Jsou zde probírány i vlivy nepøímých mìnièù kmitoètu. Avšak malá pozornost je vìnována mìnièùm malých výkonù, spínaným napájecím zdrojùm tedy zaøízením, které se v souèasnosti vyskytují nejvíce. Základní tezí knihy bylo vyšetøování vlivu polovodièových mìnièù na napájecí soustavu. A 13 Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

Za deset rokù od vydání zmínìné knihy vzniklo velké množství nových typù mìnièù, jejich struktur, zmìnily se zpùsoby øízení. Obrovsky narostl podíl spotøebièù s malými výkony, jako jsou napájecí zdroje pro výpoèetní techniku, domácí elektroniku a svìtelné zdroje. Požadavkem jsou nyní konstrukce spotøebièù s minimalizovanými vlivy na napájecí soustavu, u velkých výkonù pak komplexní dodávky vèetnì realizace opatøení proti negativním úèinkùm provozu polovodièových zaøízení na sí. Proto jsou v knize kapitoly vìnovány i této problematice. Jsou uvedeny vlastnosti a výpoèty impedance sítì s ohledem na harmonické. Na základì výpoètu zkreslení je navržena filtraènì kompenzaèní stanice. Pøi návrhu zaøízení nebo pøi jeho pøipojení do soustavy musí být akceptovány požadavky z elektromagnetické kompatibility jak v oblasti nízkofrekvenèního rušení, tak i vysokofrekvenèních projevù. Novým jevem je provoz mìnièù s nejvyšší odolností proti poklesùm napìtí v napájecí soustavì. Pøedkládaná kniha si klade za cíl seznámit uživatele s uvedenou problematikou. Je urèena širokému okruhu ètenáøù. Autoøi doufají, že odpovìdi zde najdou jak pracovníci ze závodù, kteøí musejí problematiku EMC øešit jako jeden z mnoha problémù, tak specialisté na problematiku EMC polovodièových mìnièù. Kniha je též urèena posluchaèùm vysokých škol i pracovníkùm ve výzkumu a vývoji. Na knize spolupracoval kolektiv pracovníkù Západoèeské univerzity v Plzni nìkolik rokù. V knize jsou koncentrovány mnohaleté zkušenosti práce ve výzkumu, vývoji a spolupráci s praxí. Souèasnì jsou uvedeny nejnovìjší poznatky z oboru tak dynamicky se rozvíjejícího, jakým elektromagnetické kompatibilita polovodièových systémù beze sporu je. Jednotlivé kapitoly zpracovali autoøi následovnì: doc. Ing. Jiøí Skála, Ph.D. zpracoval kapitoly 2.5, 3.3, 3.4, 8, 10.5, 11.4 a 11.5, doc. Ing. Jiøí Hammerbauer, Ph.D. zpracoval kapitoly 8.6, 9 a 11.6. Ostatní kapitoly zpracoval prof. Ing. Václav Kùs, CSc., který autorský kolektiv vedl a vytvoøil základní koncepci knihy. Autoøi dìkují mnohým spolupracovníkùm z Fakulty elektrotechnické Západoèeské univerzity v Plzni i z dalších pracoviš v Èeské republice za cenné podnìty a rady, bez nichž by tato kniha nemohla vzniknout. Autoøi dìkují Grantové agentuøe Èeské republiky za finanèní podporu, poskytnutou v rámci øešení úkolu GAÈR 102/09/1164 s názvem Interakce výkonových polovodièových mìnièù s okolím. Kniha souèasnì vznikla s podporou Evropského fondu pro regionální rozvoj a Ministerstva školství, mládeže a tìlovýchovy ÈR v rámci projektu Regionální inovaèní centrum elektrotechniky (RICE), èíslo projektu CZ.1.05/2.1.00/03.0094. Za kolektiv autorù prof. Václav Kùs 14 VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER A

1 ÚVOD Neustále narùstající poèet elektrických a elektronických zaøízení zpùsobuje vzrùstající poèet provozních obtíží. Jedním z faktorù, které pøispívají k tìmto provozním obtížím, je vzájemné ovlivòování elektrických zaøízení, což je výsledkem elektromagnetických vlastností tìchto pøístrojù, zaøízení èi systémù. Na jedné stranì pracuje elektronika s minimálními energiemi a proto v pøípadì, že se do ní dostanou elektrické signály o vyšších energiích, mohou zpùsobit její nesprávnou funkci nebo i poškození. Na druhé stranì, pro øízení výkonu hojnì používané výkonové polovodièové souèástky mohou zpìtnì pùsobit na napájecí sí a tím i na ostatní pøipojená zaøízení. Celý obor, který se uvedenou problematikou zabývá, je elektromagnetická kompatibilita (EMC). Definice dle normy 1) stanoví, že: elektromagnetická kompatibilita je schopnost zaøízení nebo systému fungovat vyhovujícím zpùsobem ve svém elektromagnetickém prostøedí bez vytváøení nepøípustného elektromagnetického rušení pro cokoliv v tomto prostøedí. Již z této definice je patrná dekompozice problému na dvì èásti schopnosti mìnièe pracovat ve svém elektromagnetickém okolí a souèasnì co nejménì nebezpeèné elektromagnetické prostøedí vytváøet. Obrázek 1.1 Vzájemné, multilaterální pùsobení rùzných zdrojù elektrických zaøízení Mìnièe svým charakterem èinnosti pùsobí jako: a) zdroj rušení, b) spotøebiè, na který pùsobí vnìjší rušivé vlivy, c) zaøízení, které svým provozem ruší samo sebe. 1) Jedná se o normu ÈSN IEC 50 (161) Mezinárodní elektrotechnický slovník kapitola 161: Elektromagnetická kompatibilita. A 15 Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

Protože mìniè kmitoètu v podstatì oddìluje napájecí sí a spotøebiè svými obvody, lze vlivy mìnièù dále dìlit na: a) vlivy mìnièe na napájecí soustavu, b) vlivy mìnièe na napájené zaøízení, c) vlivy mìnièe na okolí. Naopak, vlivem poruch v napájecí soustavì je ohrožena èinnost mìnièe. Základem knihy jsou nízkofrekvenèní projevy interakcí mezi mìnièem a napájecí soustavou. Pouze v nìkterých zøetelech je vìnována pozornost i vysokofrekvenèní problematice, a to zejména ve spojení s návrhy mìnièù. V prùmyslových závodech je obvykle velmi hustá zasmyèkovaná elektrická rozvodná soustava (èasto o mnoha napì ových úrovních), ke které dnes pøistupují mnohé øídicí, ovládací a datová vedení. To vede k tomu, že dochází k projevùm vzájemného ovlivòování spotøebièù stále èastìji. Jakým zpùsobem tyto problémy øešit? V prvním pøípadì je tøeba se snažit vyrábìt takové elektrotechnické výrobky, které ovlivòují elektromagnetické okolí co nejménì a souèasnì tak, aby byly co nejvíce odolné proti tìmto jevùm. Každý výrobek je tedy urèitým zpùsobem vždy zdrojem rušení a je souèasnì rušen. Pøípustné hodnoty pro èinnost elektrických zaøízení v elektromagnetickém prostøedí jsou dnes obvykle dány pøíslušnými normami. Výrobci tìchto zaøízení i výzkumné ústavy vìnují této otázce velkou pozornost. Pøesto jsou vlivy zaøízení na sí èi na napájené zaøízení takového charakteru, že buï nemùže pracovat samotný spotøebiè, nebo (v horším pøípadì) je ovlivnìna sí takovým zpùsobem, že nemohou pracovat ani další pøipojená zaøízení. Pak je nutné pøijmout další opatøení, která tyto úèinky odstraní, nebo alespoò minimalizují na pøijatelnou úroveò. Problematice nízkofrekvenèního rušení dominují zhruba ètyøi základní okruhy: l harmonické proudy (vyšších øádù) produkované nelineárními spotøebièi, l impedance sítì, l zmìny napìtí v síti, l zaøízení pro minimalizaci harmonických proudù a kompenzaci úèiníku. Tìmto bodùm jsou proto vìnovány hlavní èásti knihy. Nejprve je uveden struèný matematický aparát, který je pøi výpoètech potøebný, zejména s ohledem na Fourierovu analýzu. Souèasnì jsou zavedeny základní matematické vztahy pro neharmonické velièiny. Na rozdíl od mnohých publikací o neharmonických velièinách je zde i napájecí napìtí uvažováno obecnì jako nesinusové, s urèitým zkreslením. To je v souèasnosti již nezbytné. Dùraz je též kladen na definování jednotlivých výkonù a èinitelù zkreslení. Všechny uvedené definice jsou v souladu s platnými normami. Další kapitola se vìnuje kvalitì elektrické energie, poruchám v napájecí soustavì, zdrojùm harmonických, poruchám vznikajících v rozvodné soustavì a možnostem šíøení rušení. Stìžejní èást této kapitoly je vìnována teoretickým aspektùm šíøení rušení, pøíslušným frekvenèním rozsahùm a zaèlenìním rùzných druhù rušivých signálù. Kapitola je napsána též s cílem upozornit na projevy zejména vysokofrekvenèního rušení u polovodièových zaøízení. 16 VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER A

Velká pozornost je vìnována impedancím sítì. Zde jsou probrány nejen zpùsoby jak modelovat jednotlivé èásti rozvodù, ale zejména jak modelovat rozsáhlé zasmyèkované závodové sítì. Souèástí kapitoly je popis typických impedancí a vznik harmonických napìtí vyšších øádù. Na pøíkladech jsou ukázány možnosti výpoètù impedance sítì a zejména pak harmonických napìtí vyšších øádù. Ètenáøi jsou upozornìni na možné rezonance, které v síti vznikají, na jejich výpoèty a dùsledky. Jedna podkapitola je vìnována zvláštnostem výpoètu impedance v trakèních soustavách. Co do velikosti je nejrozsáhlejší pátá kapitola. Ta je vìnována urèení frekvence a velikosti harmonických proudù, které jsou mìnièi odebírány ze støídavé napájecí sítì. Nejprve je uvedeno odvození známého amplitudového zákona. Ten je pak dále rozšíøen na tzv. zobecnìný amplitudový zákon, platný pro odebírané proudy vìtšiny mìnièù. Spoleènì s principem superpozice prùbìhù pak mùže být provedena harmonická analýza u vìtšiny prùbìhù proudù. Následnì jsou probírány vlivy jednotlivých mìnièù na sí. Postupnì jsou uvedeny zpùsoby výpoètu harmonických proudù klasických mìnièù (usmìròovaèe), mìnièù napìtí, cyklokonvertorù aj. Nejvìtší pozornost kapitoly je soustøedìna k nepøímým mìnièùm kmitoètu s napì ovým støídaèem a možnostem snížení proudù u tìchto mìnièù. Z nejmodernìjších zaøízení je vìnována pozornost pulzním usmìròovaèùm napì ového typu. U všech mìnièù jsou uvedeny též zpùsoby zjištìní necharakteristických harmonických a meziharmonických. Pøestože je jejich velikost ve srovnání s charakteristickými harmonickými obvykle zanedbatelná, mohou v pøípadì rezonanèních jevù vytváøet nepøípustná napìtí vyšších frekvencí. Protože v praxi samostatnì pracující mìniè najdeme již ojedinìle, je nutné èasto øešit, jak postupovat pøi urèování negativních úèinkù vìtšího poètu mìnièù, které jsou pøipojovány do jednoho pøípojného bodu v napájecí síti nebo v rùzných bodech jednoho závodu. Obsáhlá èást knihy patøí návrhu opravných prostøedkù. Tomu se vìnuje kapitola 6. Protože obvykle nejde oddìlit filtraèní a kompenzaèní úèinek, je kapitola vìnována nejen návrhu filtrù pro minimalizaci harmonických, ale též i problematice kompenzace úèiníku. Je uveden rozsáhlý matematický aparát, který umožòuje provádìt návrh filtrù s ohledem na potøeby filtrace i kompenzace úèiníku. Nezbytné jsou i zpùsoby ladìní filtrù a jejich dimenzování s ohledem na harmonické jiných frekvencí, než je rezonanèní frekvence filtru. Pozornost je vìnována i složitìjším typùm filtrù. Nezbytností jsou výpoèty úèinnosti filtrù v pøipojených èástech soustavy. Souèástí jsou též moderní aktivní filtry a zaøízení pro dynamickou kompenzaci úèiníku. Jedna pasáž knihy je vìnována i opaèným jevùm vlivùm poruch v síti na èinnost mìnièù a možnostem, jak tìmto projevùm zabránit. Tato kapitola byla napsána na základì mnohých dotazù provozovatelù mìnièù v prùmyslových podnicích. Zejména pøi krátkodobých poklesech napìtí dochází èasto k zastavení èinnosti mìnièe. Pøestože se napìtí velmi brzy vrátí na svoji nominální hodnotu, mìniè je zastaven. Do obnovení jeho èinnosti na výrobní parametry pøed poruchou mùže dojít k velké ekonomické ztrátì. Nezbytnou kapitolou v této knize je popis doprovodných jevù v EMC výkonových mìnièù. Jedná se o vysokofrekvenèní rušení. Jsou zde uvedeny zásady návrhu výkonových a øídících obvodù polovodièových mìnièù z hlediska EMC. Souèástí jsou též možné odrušovací prostøedky. Odkazy jsou provádìny zejména na pasáže v kapitole 3. Souèástí problematiky vlivù mìnièù na napájecí soustavu jsou výpoèty harmonických proudù klasických sí ových zdrojù malého výkonu a impulzních napájecích zdrojù. V kapitole 9 pak jsou A 17 Elektromagnetická kompatibilita výkonových elektronických systémù

popsány základní konfigurace výkonových obvodù impulzních zdrojù a jejich harmonické proudy, které odebírají ze sítì. Popis je dìlán s ohledem na normy, které harmonické proudy uvedených mìnièù omezují. Srovnání je provedeno s klasickými sí ovými zdroji. Pokud existují normy, které se vìnují pøímo negativnímu pùsobení na sí u jednotlivých druhù mìnièù, je to probráno pøímo v kapitolách u jednotlivých mìnièù. Kromì toho je normalizaci (zejména pro energetické rušení) vìnována v knize samostatná kapitola. Vzhledem k velmi èastým zmìnám ve znìní norem bude tato pasáž asi nejrychleji stárnout, proto je uvedena zejména základní struktura a orientace v normách. Samozøejmostí je, že jsou uvádìny pouze normy EN èi IEC. V mnohých kapitolách je uveden nejenom postup pro exaktní výpoèty harmonických proudù, ale též zjednodušené návody na urèení harmonických proudù s pøesností, která je v praxi dostaèující. Vìtšina kapitol je doplnìna ukázkami èasových prùbìhù proudù a výsledky jejich následné harmonické analýzy. Mìøení byla provádìna jak v laboratorních podmínkách, tak v praxi. Kapitola 11, vìnovaná mìøení harmonických by vzhledem ke své dùležitosti a obsáhlosti jistì zasloužila vìtší prostor, pøípadnì samostatnou knihu. Kromì nezbytných teoretických èástí, zabývajících se zákonitostmi pøi mìøení harmonických jsou uvedeny normativní požadavky pro mìøení a analýzu. Pøíklady zde uvedené doplòují prùbìhy z dílèích kapitol. Jejich cílem je demonstrace mìøené metody, pøípadnì ukázka netypických prùbìhù z praxe. Problematika, zpracovávaná v knize je velmi široká. Jsou popisovány negativní úèinky mnoha zaøízení, zejména výkonových polovodièových mìnièù. Proto jsou provádìny èasté odkazy na literaturu, která je mnohdy pro pochopení principù èinnosti zaøízení a vzniku harmonických nepostradatelná. S ohledem na rozsah citované literatury byl zvolen princip, kdy je bezprostøednì související literatura uvedena pøímo na konci každé kapitoly. Vìtšina odkazù v kapitole je až na výjimky právì v uvedeném seznamu. Výjimkou ze seznamu literatury je kapitola 10, která se vìnuje normám. Zde jsou názvy norem uvedeny bìhem jejich popisu a nejsou tedy znovu v seznamu literatury uvedeny. Obtížné bylo uvedení seznamu znaèek. Zpracovávaná problematika je tak rozsáhlá, že není možné absolutnì všechny znaèky v seznamu uvést. Jsou tedy uvedeny znaèky základní a zejména ty, kde není vždy jednoznaènì zøejmý význam. Naopak, vzhledem k rozsáhlosti knihy, mají mnohé znaèky rùzné významy ty jsou v seznamu uvedeny. Jejich význam je patrný z textu. Pøes rozsáhlost uvedeného materiálu si autoøi uvìdomují, že nemohli zdaleka uvést všechny aspekty elektromagnetické kompatibility výkonových polovodièových systémù. Pozornost by jistì zasloužily vlivy mìnièù na napájená zaøízení, flicker a další jevy, zejména ve vysokofrekvenèní oblasti. Tato témata již pøekraèují vytýèený rámec knihy. Pøesto autoøi doufají, že ètenáøùm kniha pøinese kvalitní základní orientaci v problematice. 18 VÁCLAV KÙS, JIØÍ SKÁLA, JIØÍ HAMMERBAUER A