Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Problematika EMC ve vysokoškolské výuce silnoproudé elektrotechniky

Problematika EMC ve vysokoškolské výuce silnoproudé elektrotechniky

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) nepochybně patří mezi důležité oblasti současné elektrotechniky a jako taková nemohla zůstat stranou pozornosti vysokých škol zejména elektrotechnického zaměření. Současně s jejím historickým vývojem, kdy se významnější projevy objevovaly v oblasti rádiových přenosů, se na problematiku EMC soustředila nejprve pracoviště zabývající se radiotechnikou, telekomunikační technikou a měřením. Rozvoj elektroniky a výkonové elektroniky a jejich pronikání do výkonových elektrotechnických systémů způsobily, že se EMC stala podstatnou součástí jejich hodnocení při uvádění na trh a provozování. Nelineární spotřebiče generují nežádoucí emise jak nízkofrekvenčních, tak vysokofrekvenčních rušení. Moderní řídicí elektronika, která je v současné době součástí téměř všech výkonových zařízení, se stává ochotným objektem rušivých signálů rovněž v nejširším kmitočtovém spektru. Růst instalovaného výkonu „problematických„ spotřebičů, daný jednak rostoucím jednotkovým výkonem a současně i rostoucím počtem drobných spotřebičů, způsobuje zhoršení kvality elektrické energie v rozvodných sítích. Případné problémy nelze řešit, až když se projeví, ale preventivně již v době před uvedením výrobku na trh. V životním cyklu výrobku to znamená nutnost respektovat požadavky EMC v etapě vývoje, konstrukční a technologické přípravy výroby, vlastní výroby a typových zkoušek.

Na uvedenou situaci musela zareagovat i vysokoškolská pracoviště, která se věnují problematice elektrotechnické výroby či problematice výroby, rozvodu a užití elektrické energie. V článku jsou diskutovány vybrané aspekty výuky v oblasti EMC na katedře elektrotechnologie Fakulty elektrotechnické Českého vysokého učení technického v Praze zejména pro studijní obor silnoproudá elektrotechnika.

Laboratoř EMC na katedře elektrotechnologie FEL ČVUT

Na katedře elektrotechnologie FEL ČVUT, podobně jako na jiných vysokoškolských pracovištích, postupně vznikala a byla vybavována laboratoř EMC elektrotechnických systémů. Cílem bylo vybudovat laboratoř umožňující provádět co nejširší spektrum zkoušek EMC jak emisí, tak odolnosti elektrotechnických zařízení při použití přístrojů přijatelných rozměrů s jednofázovým nebo třífázovým napájením do příkonu realizovatelného v daných laboratorních prostorách katedry, tj. asi 10 kV·A, popř. s vlastním napájením. Úmyslem přitom nebylo a není dublovat současné laboratoře kateder radioelektroniky, telekomunikací a měření, ale postihnout specifika spojená s konstrukcí, výrobou a zkoušením elektrotechnických zařízení včetně případných vybraných měření na místě instalace výrobku. Pořídit laboratorní zázemí bylo možné především díky finanční podpoře grantového charakteru a zapojením se katedry do výzkumných záměrů.

Obr. 1.

Obr. 1. Laboratoř EMC – pracoviště pro zkoušky odolnosti (viz text)

Laboratoř byla postupně vybavena přístroji špičkové úrovně pro provádění většiny základních zkoušek na zařízeních silnoproudé elektrotechniky a elektroniky, včetně jejich řídicích částí. Podrobnější informace o dále uvedených zkouškách, jež lze v laboratoři provádět, je možné nalézt např. v seriá­lu článků o EMC [1], ve [2] a také v příslušných technických normách. Měřicí přístroje jsou v laboratoři seskupeny do dvou pracovišť, představených na obr. 1 a obr. 2.

Pracoviště podle obr. 1 je určeno téměř výhradně ke zkouškám odolnosti, a to zejména k měření odolnosti proti:

  • rázovému impulsu,
  • skupinám rychlých impulsů,
  • poklesům a výpadkům napájecího napětí.

Základem pracoviště jsou kompaktní simulátor rušivých jevů (rázových impulsů a skupin impulsů) a simulátor poruch síťového napájení, což je vlastně rychlý synchronizovaný výkonový bezkontaktní přepínač. Současně je k dispozici pomocné a doplňkové vybavení potřebné pro jednotlivé zkoušky. V neposlední řadě je pracoviště vybaveno počítačovým systémem pro řízení zkoušek určeným také pro sběr, zpracování a protokolování naměřených dat.

Pracoviště představené na obr. 2 je z hlediska měření emisí a odolnosti kombinované. Řízený elektronický zdroj může být využíván jako zdroj nezkresleného napájecího napětí s programovatelnou vnitřní impedancí pro měření emisí a vlivu na napájecí síť, ale také jako zdroj definovaného tvaru napětí pro zkoušky odolnosti. Spektrum zkoušek odolnosti proti poruchám síťového napájení je díky elektronickému zdroji bohatší o zkoušky s postupně se měnícím napětím, frekvencí, amplitudou i fázovou nesymetrií, včetně superpozice harmonických složek. Na pracovišti lze provádět zejména:

  • zkoušky odolnosti proti těmto poruchám v napájecí síti:
    – krátkodobý pokles napětí,
    – krátké přerušení napětí,
    – kolísání a pomalé změny napětí,
    – přítomnost harmonických a meziharmonických napětí,
    – nesymetrie třífázového napájení,
    – kolísání kmitočtu sítě;
  • měření emisí:
    – harmonických,
    – změn a kolísání napětí, flikru,
    – vf rušení do přívodních vodičů.
Obr. 2.

Obr. 2. Laboratoř EMC – kombinované pracoviště pro zkoušky odolnosti a měření emisí (viz text)

Také toto pracoviště je vybaveno potřebnými pomocnými zařízeními i systémem pro řízení zkoušek, sběr a zpracování dat.

Celá laboratoř EMC je orientována především na výzkumné práce a na výuku studentů všech forem studia i na vzdělávání širší technické veřejnosti, popř. společné řešení dílčích problémů s průmyslovými podniky. Uvedená hlediska brání jejímu čistě komerčnímu využívání, a laboratoř proto není pro žádnou zkoušku akreditována.

Využití ve výuce

Elektromagnetická kompatibilita je typickým případem problematiky, která překračuje dosavadní rámce jednotlivých oborů. Od tradičního silnoproudého odborníka se stále častěji vyžaduje znalost nežádoucích přechodných a parazitních jevů a jejich šíření netradičními cestami, znalost chování součástek při vysokých kmitočtech, znalost správného provedení spojů, stínění, zakončování vodičů atd. Je tedy od něj požadován širší odborný záběr zahrnující vedle tradičních silnoproudých disciplín i znalosti z oblasti vzniku, šíření, přenosu a potlačování vysokofrekvenčních jevů a jejich popisu a měření. Těmto aspektům je třeba při přípravě studentů věnovat patřičnou pozornost.

Těžiště pedagogické činnosti našeho pracoviště je v pravidelné výuce studentů oboru silnoproudá elektrotechnika, přičemž problematika EMC se organicky začleňuje do výuky vybraných předmětů od bakalářského až po postgraduální studium. Měření EMC přitom většinou představuje komplexní úlohu, na kterou lze pohlížet z několika hledisek. Nejpřednější mezi nimi jsou hlediska:

  • bezpečnosti práce,
  • odolnosti přístrojů,
  • zkušebních postupů.

Bezpečnost při práci na elektrickém zařízení musí být vždy primární. Většina zkoušek vyžaduje přítomnost síťového napětí, část dokonce využívá vysokonapěťové zkušební signály. Pro mnoho studentů je takový těsný kontakt s realitou často novou zkušeností, s čímž je při organizaci a přípravě výuky nutné počítat.

Druhým důležitým hlediskem je nebezpečí poškození používané techniky. Je nutné konstatovat, že při zkouškách jsou využívány poměrně drahé a citlivé přístroje, často těžko nahraditelné. Přitom riziko poškození není malé. Zejména při detekci vf signálů šířících se po napájecích vedeních jde o měření napětí na úrovních o několik řádů nižších, než je provozní napětí v místě připojení. Jakékoliv překročení přípustné úrovně napětí na vstupu měřicího přístroje (i mžikové) může způsobit poškození nebo zničení přístroje, což nezkušená obsluha vůbec nemusí zaregistrovat.

Třetím hlediskem je správné provedení měření a získání korektních výsledků. Měření může být ovlivněno mnoha skutečnostmi, které na první pohled nejsou zřejmé. Především je nutné omezit vliv nežádoucích vnějších rušivých signálů, ale také zamezit pronikání záměrného zkušebního rušivého signálu mimo vymezené části měřicího řetězce. Proto je třeba dbát na správné vedení silových a datových vodičů na zkušebním pracovišti, na vhodné stínění a zemnění, impedanční přizpůsobení atd.

Uvedeným hlediskům musí odpovídat organizace i obsah výuky v jednotlivých etapách studia. Výuka v laboratoři je přitom nezastupitelná. Úvodní seznámení v bakalářském studiu má často charakter demonstrační, většinou na připravených úlohách. V magisterské etapě lze od studentů vyžadovat větší podíl při přípravě a provádění experimentů, ovšem pod dozorem pedagoga. Relativně samostatná činnost připadá v úvahu při zpracování individuálních projektů a diplomových prací a v rámci samostatné vědecké práce v postgraduálním studiu.

Vybavení laboratoře moderní měřicí technikou umožňuje automaticky sbírat i zpracovávat data. Tento komfort by neměl být samoúčelný, ale měl by poskytovat větší prostor pro analýzu a podpořit správnou interpretaci naměřených dat.

Velmi důležitá je také návaznost práce studentů na vlastní vědeckovýzkumnou činnost pracoviště a spolupráci s praxí. Specia­lizovaná laboratoř jakéhokoliv charakteru, ve které jsou zpracovávány grantové a další projekty, je pro takové práce vhodným prostředím. Studenti se zde zapojují do vlastní vědecké a odborné činnosti katedry, následkem čehož je užší kontakt s katedrou a větší motivace k vlastnímu studium.

Vědeckovýzkumné aktivity

Původní záměr vybudovat pracoviště orientované na měření EMC vznikl v souvislosti s vědeckovýzkumnými aktivitami spjatými zejména s konstruováním výkonových polovodičových měničů kompatibilních s napájecí sítí a měřením na nich, kdy se začaly projevovat zvláštnosti takových měření u silnoproudých zařízení. Pracoviště se dlouhodobě orientuje na tyto problémy:

  • vývoj výkonových polovodičových měničů z hlediska EMC a měření na nich,
  • pulsně řízené usměrňovače,
  • měniče pro elektrochemické zdroje,
  • speciální měniče,
  • spínané zdroje,
  • návrh a hodnocení prostředků pro potlačení rušení,
  • analýza prostředků pro zlepšení kvality elektrické energie,
  • měření EMC elektrotechnických výrobků a zařízení,
  • udržování přehledu platných norem pro oblasti EMC.

Na uvedené otázky byly zaměřeny grantové projekty zpracované na pracovišti v uplynulých letech a věnována je jim i současná činnost v rámci společného výzkumného záměru z oblasti rozvoje elektroenergetických systémů. Výhodou je návaznost na další úkoly řešené na katedře např. v oblasti řízení kvality elektrotechnické výroby, chování součástek v širokém rozsahu kmitočtů, vývoj filtrů, vývoj a využití fotovoltaic­kých článků, problematika elektrochemických zdrojů atd.

Spolupráce s praxí

Další důležitou oblastí využití laboratoře je spolupráce pracovníků katedry s průmyslem. Provádějí se zde zkoušky různých zařízení předcházející případné certifikaci a další měření, většinou v souvislosti s vývojem a úpravami různých průmyslových zařízení. Spolupracující vývojáři si zde mohou vyzkoušet vlastnosti svých zařízení. V optimálním případě lze využít odborný poten­ciál pracovníků katedry při úpravách měřených zařízení. Pro katedru tyto kontakty znamenají cennou zpětnou vazbu v oblastech:

  • metod analýzy elektromagnetických rušivých jevů a jejich experimentálního ověřování,

  • návrhu a realizace prostředků potlačujících nežádoucí elektromagnetické rušivé jevy,

  • vzdělávací a osvětové činnosti zahrnující publikace na konferencích a v odborných časopisech, v nichž je technická veřejnost informována o aktuální problematice EMC, její standardizaci a legislativních základech.

Závěry

Zkušenosti získané při vybavování a provozu EMC laboratoře silnoproudých systémů lze shrnout takto:

  • problematika EMC je nepostradatelnou složkou znalostí i pro studenty silnoproudých oborů elektrotechniky,

  • rozšíření odborné náplně v tomto směru přispívá k propagaci a větší atraktivitě oboru,

  • v současné době dochází k dalšímu prolínání oborů v oblasti měření a analýzy vf jevů,

  • laboratoř EMC umožnila výrazně rozšířit spektrum odborných aktivit katedry.

Literatura:
[1] ŽÁČEK, J. – KÜNZEL, K.: EMC v technické praxi I až VI, seriál článků. Automa, 2006, roč. 12, č. 2, 3, 6, 7, 10, 11.
[2] SVAČINA, J.: Základy elektromagnetické kompatibility 4 a 5. Elektrorevue, 2000–2001, ISSN 1213-1539. Dostupné na http://www.elektrorevue.cz
[3] ŽÁČEK, J.: EMC – přehled norem. Dostupné na http://k313.feld.cvut.cz/emc

doc. Ing. Jaroslav Žáček, CSc.
(zacek@fel.cvut.cz),
Ing. Karel Künzel, CSc.
(kuenzel@fel.cvut.cz),
katedra elektrotechnologie,
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze