Homepage .:. Pro Pohony > Praxe - elektromagnetická kompatibilita (EMC)

Praxe - elektromagnetická kompatibilita (EMC)

02.11.2013 17:47

Rušení rozhlasového a televizního vysílání

Měniče kmitočtu v důsledku přítomnosti točivého pole vytvářejí různé kmitočty při příslušném napětí motoru vlivem obdélníkových napěťových impulzů různé šířky. Ve strmých napěťových hranách jsou obsaženy vysokofrekvenční složky. Kabely motorů a měniče kmitočtu je vyzařují a přivádějí je vedením do sítě. Ke snížení těchto rušivých veličin musí výrobce použít odrušovací filtry (nazývané rovněž RFI filtry, síťové nebo EMC filtry). Slouží jednak k ochraně přístrojů před vysokofrekvenčními s vedením souvisejícími rušivými veličinami (odolnost vůči rušení), na druhé straně ke snížení vysokofrekvenčních rušivých veličin přístroje, které vzniknou přes síťový kabel nebo vyzařováním síťového kabelu. Filtry mají za úkol omezit toto rušivé vyzařování na zákonem předepsanou hranici, za tímto účelem by se měly pokud možno hned od počátku vestavět do zařízení. Jako u síťových tlumivek je také u odrušovacích filtrů třeba jednoznačně definovat jejich jakost. V normách, výrobní normě 61800-3 a kmenové normě EN 55011 jsou stanoveny konkrétní mezní hodnoty úrovně rušení.

Normy a směrnice definující mezní hodnoty Pro komplexní posouzení vysokofrekvenčního rušení rozhlasu a televize je třeba respektovat dvě normy. Jedná se na jedné straně o normu o ochraně životního prostředí EN 55011, která definuje mezní hodnoty v závislosti na základním průmyslovém prostředí s třídami A1/A2 či obytném prostředí třídy B. Dále defi nuje výrobní norma EN 61800- 3, která platí od června 2007, nové kategorie C1 až C4 pro systémy elektrických pohonů určených k použití ve výrobních zařízeních. Tyto jsou sice vzhledem k mezním hodnotám srovnatelné s dosavadními třídami, avšak připouštějí v rámci výrobní normy další rozšířené využití.

Rozhodující je místo provozu

Mezní hodnoty jsou pro příslušné prostředí uvedeny v odpovídajících normách. Ale jak se vlastně provádí zařazení do různých druhů prostředí? Také zde poskytují normy EN 55011 a EN 61800- 3 informaci o systémech elektrických pohonů a jejich složkách:

Konfrontace mezních hodnot*

Konfrontace nových kategorií C1 až C4 podle výrobní normy EN 61800-3 a tříd A a B podle normy na ochranu životního prostředí EN 55011.

1. prostředí (třída B): Obytné oblasti

Jako obytné popř. komerční oblasti či malé provozy se označují všechna místa použití, která jsou napájena přímo z elektrické sítě. To znamená, že nejsou vybavena napájecími transformátory velmi vysokého či vysokého napětí pro oddělené napájení. Zařazení do příslušného prostředí platí jak vně, tak uvnitř budovy.

Příklady: obchodní prostory, obytné budovy/plochy, gastronomické a zábavní provozy, parkoviště či sportovní zařízení.

2. prostředí / třída A: Průmyslové oblasti

Jako průmyslové oblasti se označují místa použití, která nejsou přímo napojena na veřejnou elektrickou síť, ale která jsou vybavena transformátory na vysoké napětí. Kromě toho jsou tyto oblasti definovány v katastru nemovitostí jako takové, které se vyznačují následujícími charakteristikami z hlediska elektromagnetické kompatibility:

• Přítomnost vědeckých, lékařských nebo průmyslových přístrojů

• Spínání větších induktivních nebo kapacitních zátěží

• Výskyt silných magnetických polí (např. v důsledku silných elektrických proudů)

Zařazení do příslušného prostředí platí jak vně, tak uvnitř budovy.

Zvláštní prostředí

Zde musí uživatel rozhodnout, do kterého prostředí by chtěl zařadit své zařízení. Předpokladem pro toto zařazení je vlastní transformátor vysokého napětí a jednoznačné oddělení od ostatních oblastí. Uvnitř svého rozsahu musí provozovatel zajistit na svoji odpovědnost nezbytnou elektromagnetickou slučitelnost, která zajistí za stanovených podmínek bezchybnou funkci všech přístrojů. Příkladem jsou technické oblasti nákupních středisek, supermarketů, čerpacích stanic pohonných hmot, administrativních budov nebo skladů.

Bez kompromisů

Pokud se použijí měniče kmitočtu, které nesplňují kategorii C, potom se musí přístroje doplnit o výstražné upozornění. Tuto povinnost musí splnit uživatel / provozovatel. V případě rušení vycházejí specialisté v každém případě odstranění rušení z mezních hodnot A1/2 a B kmenové normy EN 55011 v souladu s prostředím, ve kterém je zařízení provozováno. Náklady na odstranění EMC rušení nese provozovatel. Za správné přiřazení do jednotlivých tříd odpovídá v konečném důsledku sám uživatel.

Možnosti snižování zpětných účinků sítě

Obecně lze snížit zpětné účinky elektronických řídicích systému na síť omezením amplitudy impulzních proudů. V důsledku toho dojde ke zlepšení účiníku λ (Lambda). Aby nedošlo ke značnému zhoršení kvality sítě, je třeba realizovat příslušná opatření k redukci, eliminaci či kompenzaci harmonických u zařízení, která tyto harmonické kmitočty vytvářejí, a sice:

• Tlumivky na vstupu nebo ve vloženém obvodu měniče kmitočtu

• Selektivní vložený obvod

• Usměrňovač s 12, 18 nebo 24 impulzy

• Pasivní filtry

• Aktivní filtry

• Active Front End a Low Harmonic Drives

Mezní hodnoty pro rušivá napětí související s vedením dle EN 55011

Rozdělení rozsahů použití do 1. a 2. prostředí, stejně jako speciálních oblastí, které má provozovatel na výběr.

Tlumivky na vstupu nebo ve vloženém obvodu Již jednoduché tlumivky sníží efektivně harmonické, které dodává zapojení usměrňovače do sítě. Výrobce měničů kmitočtu je nabízí jako přídavné či dodatečné příslušenství. Tlumivky je možno zapojit před měnič kmitočtu na straně napájení nebo do vloženého obvodu za usměrňovač. Protože indukčnost vyvolá na každém místě stejný účinek, je možné potlačit působení na síť v místě zapojení. Obě varianty mají své výhody i nevýhody. Tlumivky na síťové straně jsou drahé, větších rozměrů a vykazují vyšší ztráty než tlumivky v usměrňovači. Výhoda tlumivek: chrání usměrňovač před přenosem rušivých vlivů ze sítě do měniče. Stejnosměrné tlumivky jsou zapojeny ve vloženém obvodu. Mají větší účinnost, ale obvykle je není možné dodatečně vestavět. Pomocí takových tlumivek lze snížit obsah harmonických usměrňovače B6 z hodnoty THD I = 80 % na cca 40 %. V praxi lze u měniče kmitočtu s tlumivkami dosáhnout Uk 4 %. Další snížení harmonických lze dosáhnout speciálně přizpůsobenými filtry.

Pasivní filtry snižují zkreslení proudu harmonickými na < 5 % či < 10 %

Impulzní usměrňovače s vyšším počtem impulzů (12, 18 a 24)

Impulzní usměrňovače s vyšším počtem impulzů (12, 18 a 24) vytvářejí menší množství harmonických. V minulosti se často používaly u zařízení s vyššími výkony. K napájení je ovšem potřeba zvláštní transformátor, který má několik sekundárních vinutí, ze kterých přivádí fázově posunuté napětí k jednotlivým skupinám usměrňovače. Nevýhodou tohoto způsobu je vedle nákladů a potřeby prostoru pro zvláštní transformátor také vyšší investice za transformátor a měnič kmitočtu.

Pasivní filtry

V případě mimořádně vysokých požadavků, popř. požadavku na provoz bez harmonických, jsou optimální pasivní síťové filtry. Tyto filtry se vyrábí z pasivních součástek, jako jsou cívky a kondenzátory. Sériové rezonanční obvody zapojené paralelně k zátěži a naladěné na harmonické kmitočty sníží obsah harmonických THD na straně sítě na hodnoty 10 % či 5 %. Filtrační jednotka je vhodná jak pro jeden, tak pro skupinu měničů kmitočtu. Aby mohl filtr harmonických správně plnit svoji funkci, musí se správně přizpůsobit skutečnému vstupnímu proudu měniče. Pasivní filtry harmonických se zapojují buď před měnič, nebo před skupinu měničů kmitočtu.

Výhody pasivních filtrů

Tento typ filtrů poskytuje dobrý poměr cena/výkon. Za cenu poměrně nízkých nákladů dosáhne provozovatel snížení obsahu harmonických, jaké je možné jen u usměrňovačů s 12 či 18 impulzy. Dosažené snížení obsahu harmonických činí dle hodnoty THD 5 %. Pasivní filtry nevyrábějí žádné rušení v kmitočtovém rozsahu nad 2 kHz. Protože se jedná o zapojení s pasivními součástkami, nedochází k žádnému mechanickému opotřebení, jedná se o zapojení odolné vůči elektrickým poruchám a mechanickému zatížení.

Nevýhody pasivních filtrů

Vzhledem ke své konstrukci jsou pasivní filtry poměrně rozměrné a těžké. Filtry této kategorie pracují nanejvýš efektivně při 80-100 % zatížení. S klesající zátěží ovšem stoupá spotřeba kapacitního jalového výkonu a proto se doporučuje při provozu naprázdno odpojit kondenzátory filtru.

Aktivní filtry

Pokud jsou požadavky, popř. zpětné účinky sítě, ještě větší, lze použít elektronické filtry. Aktivní fi ltry jsou reprezentovány elektronickými sacími obvody, které provozovatel zapojí paralelně ke zdroji harmonických kmitočtů. Tyto obvody provádějí analýzu nelineárních spotřebičů, které vytvářejí proud s obsahem harmonických, a generují kompenzační proud. Tím se zcela neutralizují příslušné harmonické proudy v přípojném bodě. Stupeň kompenzace je nastavitelný. Tím lze na přání harmonické téměř dokonale vykompenzovat, nebo např. z ekonomických důvodů alespoň do té míry, aby zařízení vykazovalo zákonem povolené hodnoty. Také zde je třeba dbát na to, aby tyto filtry pracovaly s taktovací frekvencí a síťovým napětím v rozsahu 4 - 10 kHz.

Výhody aktivních filtrů

Provozovatelé mohou v rámci celkového nápravného opatření zařadit aktivní filtry do libovolného místa v síti v závislosti na tom, zda chtějí kompenzovat jednotlivé pohony, celé skupiny nebo dokonce celé sítě. Vlastní fi ltr ale není vhodný pro každý měnič kmitočtu. Obsah harmonických klesne na hodnotu THD ≤ 2 %.

Aktivní filtry lze připojit na libovolná místa v síti v závislosti na tom, zda je nutno kompenzovat jednotlivé pohony, celé skupiny nebo dokonce celé sítě

Nevýhody aktivních filtrů

Nevýhodou jsou poměrně značné investiční náklady. Kromě toho ztrácejí tyto filtry účinnost na kmitočtu 25. harmonické a vyšších. Kromě toho jsou třeba u aktivních filtrů harmonické kmitočty vyšší než 2 kHz, které tyto fi ltry sami vytvářejí. Aby se udržela čistá síť, je třeba provést další opatření.

Selektivní vložený obvod V posledních letech se na trhu objevily ve větší míře měniče kmitočtu s tzv. selektivním vloženým bvodem. U těchto provedení snížili výrobci významným způsobem kapacitu použitých kondenzátorů. Tímto způsobem lze i bez tlumivky omezit 5. harmonickou proudu na hodnotu THDi < 40 %. Na druhé straně dochází v horním frekvenčním spektru k zpětnému působení na síť, ke kterému by jinak nedocházelo. Kvůli velmi malým kapacitám kondenzátorů jsou tyto měniče kmitočtu citlivé vůči výpadkům sítě a kolísání napětí mnohem více než dřívější provedení. Napětí na vloženém obvodu vykazuje vysoké zvlnění (300 Hz), což vede k tomu, že výstupní napětí dosahuje pouze hodnoty, která je o cca 10 % menší než síťové napětí: tím pádem odebírá střídavý motor při jmenovitém provozu vyšší proud a dodatečně se zahřívá. Provozovatel nebo konstruktér zařízení musí motor příslušně předimenzovat. Účinnost systému je menší a je nutno použít větší průřezy kabelu.

Active Front End a Low Harmonic Drive Active Front End (AFE) a Low Harmonic Drive (LHD) u měničů kmitočtu nebo Power Factor Correction (PFC) u síťových dílů jsou elektronické vstupní obvody, které nahrazují tradiční usměrňovače.

Tato zapojení osazená spínacími polovodiči s vysokou spínací rychlostí vytvářejí přibližně sinusový proud a jsou rovněž velmi účinné při tlumení nízkých kmitočtů, které pronikají do sítě. Rovněž jako měniče kmitočtu se selektivním obvodem vytvářejí opačné proudy, které kompenzují proudy pronikající do sítě. Přístroj s obvody Active Front End představuje nejdražší řešení k redukci zpětného působení na síť, protože se jedná o dodatečný vysoce kvalitní měnič kmitočtu, který je schopen dodávat do sítě kompenzační energii. Obvod Low Harmonic Drive tuto možnost nenabízí a je z těchto důvodů poněkud výhodnější.

Výhody AFE / LHD

Velikost proudu harmonických je snížena na hodnotu THDi téměř 0 % v rozsahu 3. až 50. harmonické: s přístroji s AFE (ne s LHD) je možný čtyřkvadrantový provoz, tzn. že je možné brzdnou energii motoru vrátit do napájecí sítě.

Nevýhody AFE / LHD

Technická náročnost přístrojů je velice značná a vede k velmi vysokým investičním nákladům. V principu se přístroje AFE skládají ze 2 měničů kmitočtu, přičemž jeden spolupracuje s motorem a druhý se sítí. Vlivem dodatečných spínacích nároků klesá v motorovém provozu účinnost měniče kmitočtu. Ztrátový výkon může být o 40 - 50 % vyšší než u měničů s neřízenými usměrňovači. Další nevýhodou je kmitočet hodinových impulzů u zařízení provádějících korekci vstupního proudu. Tento kmitočet leží v rozsahu 4-20 kHz. Dobré technicky náročné přístroje fi ltrují tento kmitočet hodinových impulzů před napájením ze sítě. V současné době platné normy a zákony se tímto kmitočtovým rozsahem dosud nezabývají. Současné analyzátory sítí obvykle tento kmitočtový rozsah nezachycují a tím pádem se tyto účinky nedají změřit. Lze je ale zjistit u všech přístrojů pracujících v této síti, například zvýšeným proudovým odběrem v síťových dílech. Účinky budou citelné teprve v následujících letech. Proto by se měl uživatel v zájmu své vlastní provozní bezpečnosti zařízení cíleně ptát výrobce na emisní hodnoty a příslušná nápravná opatření.