Nové normy měření: Vyšší harmonické v síti
Situace v síti nízkého napětí se v posledních letech výrazně změnila. Stalo se tak v důsledku nástupu nových spotřebičů – světel, elektroniky se spínanými zdroji – a v důsledku změn v místech napájení/generátorů.
Napájecí zdroje – spousta malých hráčů
V minulosti se používaly převážně velké generátory (rotační stroje). Jejich konstrukce vedla k přímému generování sinusové křivky. Jejich zkreslení vznikalo v důsledku technických (elektrických a mechanických) nedokonalostí a bylo velmi malé.
V současné době je v provozu velké množství malých nerotačních generátorů – spínaných měničů/konvertorů. Pro generování pseudosinusových křivek se používá pulzně-šířková modulace (PWM) s dolnopropustným filtrem. Modulační frekvence dosahuje několika kHz. Principiálně PWM generuje velké množství vyšších harmonických, které by měly být z výsledného signálu odfiltrovány.
Filtrace těchto harmonických však přináší vyšší finanční náklady, a proto je ve většině případů tolerována. Čím vyšší je dodávaný generovaný výkon, tím složitější a dražší filtraci (cívku a kondenzátor) je třeba použít. To následně vede ke zhoršení kvality napájení.
Spotřebiče – žádný důvod ke spokojenosti
V minulosti převažovaly domácí spotřebiče pracující na odporovém principu (žárovky, topení, bojlery…). Skládaly se z jednoduchých regulátorů, jejich elektronika byla napájena z lineárních zdrojů. Točivé stroje byly řízeny prostřednictvím klasických lineárních regulátorů. Harmonické se objevovaly velmi zřídka a byly zanedbatelné. Spotřebiče byly také dobře kompenzovány na účiník.
Proto nebylo nutné, aby koneční zákazníci – domácnosti – měřili jalovou energii nebo sledovali kvalitu dodávané energie. Tuto kvalitu sledovali pouze velkoodběratelé a také se sledovala u distribučních transformátorů, kde to mělo smysl.
Dnešní situace je zcela odlišná. Mezi zdroji světla převládají kompaktní zářivky a led žárovky. Jsou napájeny ze spínaných měničů, a to s nedostatečnou kompenzací účiníku a žádnou kompenzací rušení.
Někdy kompenzace zcela chybí, aby se udržely nízké ceny. Kondenzátory se používají pro omezení impedance led žárovek. V důsledku toho dochází ke snížení činného příkonu o desítky procent, zatímco vliv jalového, resp. vysokofrekvenčního příkonu se zvyšuje. Ušetříme na činném výkonu, zatímco účiník se výrazně zhorší.
V dnešní době se téměř ve všech spotřebičích používají spínané zdroje nebo jiné synchronizované měniče řízené/spínané nulovým křížením. Tyto zdroje mají relativně vysokou účinnost a jsou malé, ale pokud je použijeme, objeví se velké množství vyšších harmonických proudu (a sekundárně i napětí).
| Spotřeba (činný výkon) | Zdánlivý výkon | Účiník | |
| Klasická žárovka | 60W | 60VA | 1 |
| Kompaktní zářivka | 12W | 30VA | 0,4 |
| Indikace LED | 5W | 10VA | 0,5 |
Jak E-metry (ne)měří vyšší harmonické
E-metry (měřiče energie) by měly měřit veškerou dodanou/spotřebovanou energii. To znamená jak energii základních harmonických, tak všechny harmonické, které se objevují v síti. Dnešní elektronické e-metry mohou s vysokou přesností měřit velmi malé množství proudu (stand by current).
Na druhou stranu v síti neměří energii obsahující vyšší harmonické. V této fázi zákonné měřicí přístroje výrazně zaostávají za skutečným stavem v síti.
Nejdůležitějším omezením je vzorkovací frekvence analogově digitálního převodníku (adc). Tento adc musí být doplněn (podle vzorkovacího teorému) filtrem s dolní propustí – antialiasingovým filtrem, který zajistí, že se k převodníku nedostanou vyšší harmonické.
Vzorkovací frekvence dnes běžně dosahuje 1 kHz – teoreticky tedy můžeme měřit harmonické s frekvencí až 500 Hz (10. harmonická). Frekvence nad 1kHz (frekvence pro všechny výkonové měniče) se neměří vůbec.
Frekvenční závislost proudových transformátorů má také (menší) vliv na výsledky měření energie vyšších harmonických. Tato frekvenční závislost se špatně kompenzuje v časové oblasti, zatímco ve frekvenční oblasti ji kompenzovat lze. Navíc u dvoužilových cívek (se stejnosměrnou odolností) je kompenzace nemožná.
E-metry s kondenzátorovým napájením mají také vliv na měření vyšších harmonických. Tyto e-metry se při výskytu vyšších harmonických zahřívají. Napájení e-metru je vyššími harmonickými přetěžováno, a proto může dojít k jeho poškození.
Jak to můžeme zvládnout?
Máme několik možností, jaký přístup zvolíme k řešení problému neměřitelnosti vyšších harmonických:
- Tento problém můžeme nechat nevyřešený a chovat se, jako by to žádný problém nebyl. Snad v naději, že se situace později zlepší?
- Můžeme zkusit lepší filtraci u dodavatelů. Přinutit výrobce střídačů, aby přidávali kvalitní filtry, což znamená změny v příslušných normách týkajících se kvality napájení a EMC.
- Můžeme se pokusit o lepší filtraci spotřebičů. Situace je stejná jako výše a týká se zavedení další normy.
- Tím, že začne měřit vliv napájení a zátěže a začne se udělovat pokuty, pokud není dodržen účiník. Jednou z možností je skutečně měřit veškerou energii a měřit účiník (PF). Pokud bude PF mimo limity, budou zákazníci platit více.
V každém případě je nutné měřit výkon v širším frekvenčním spektru, než je dnes běžné (až 10 kHz), a sledovat kvalitu napájení ve více bodech sítě.
Shrnutí
Dnes, kdy reálná spotřeba spotřebičů klesá, zatímco jalový výkon roste a musíme přidávat energii při vyšších frekvencích, jsou stávající certifikované měřicí přístroje zastaralé. Je třeba změnit limity pro přídavné chyby a zkušební signály/křivky.
Aktuální normy připouštějí dodatečné chyby až 6 % pro měření harmonických (nižší harmonické). Pro měření vyšších harmonických neexistuje žádná norma.
Tyto normy pro elektronické měřiče a kvalitu dodávky energie však NEODPOVÍDAJÍ skutečnosti, že se dodávky energie a spotřebiče změnily. Je tedy nejvyšší čas nahradit tyto normy novými.