Kdy jste naposledy viděli sinusovku?

Kdy jste viděli sinusový průběh 50 Hz síťového napětí naposledy? Otázka je do značné míry generační. Ten, kdo prošel odborným elektrotechnickým školstvím před cca 15 lety a dříve, si jistě pamatuje z nejrůznějších měření na osciloskopu sinusoidu, jejíž tvar se nedal odlišit pohledem od ideální matematické křivky

(pro případ síťového napětí s přesným kmitočtem 50 Hz a jmenovitým efektivním napětím 231 V tento vzorec získává tvar

kde u je okamžitá hodnota napětí, t okamžitá hodnota času).

Obr. 1 Průběh napětí v rozvodné síti NN, měřeno v Praze, duben 2020

Průběh napětí v zásuvce ale vypadá v současnosti jinak, viz obr. 1. Průběh napětí v síti NN byl sejmut v centru Prahy v dubnu letošního roku, ovšem podobně vypadající křivku naměříme v síti celé republiky. Od sinusového průběhu se průběh napětí na první pohled odlišuje ploškami na vrcholech. Při bedlivějším zkoumání lze odhalit i to, že plošky nejsou rovnoběžné s vodorovnou osou času, ale mají mírný sklon, viz úhel β na obr. 1.

Obr. 2 Blokové schéma spínaného zdroje (s nekompenzovaným účiníkem)

Obr. 3 Napětí a proud v bloku vstupního usměrňovače, idealizované průběhy

Čím jsou tyto deformace způsobené? Na vině jsou spotřebiče s elektronickými spínanými zdroji, označovanými někdy též jako pulzní zdroje. Jejich podíl na celkové spotřebě se pronikavě zvýšil v posledních několika letech v souvislosti s používáním LED osvětlení, výpočetní techniky a v podstatě jakékoliv spotřební elektroniky jako jsou televize, rádia, přehrávače, ale i moderní pračky s invertorovými pohony atd. Elektronické spínané zdroje se rozšířily lavinovitě, nahradili zdroje s klasickými transformátory tam, kde se vyžaduje snížené napětí ať už stejnosměrné nebo i střídavé. „Lavinu“ zastavit nelze, protože spínané zdroje oproti transformátorovým přinášejí v zásadě jen výhody. Jsou menší, lehčí, podstatně levnější, mají menší ztráty, na výstupní straně se snadno dosáhne přesné a bezeztrátové regulace požadovaných parametrů, obvykle napětí. Nevýhoda je v podstatě jen jedna a to nelineární odběr proudu ze sítě. Zapojení spínaných zdrojů sestává principiálně ze vstupního usměrňovače, řízeného spínače, z transformátoru a výstupního usměrňovače, viz obr. 2. Proudový odběr vstupního bloku je zobrazen na obr. 2. Vyhlazovací kondenzátor C₁ je dobíjen usměrněnou sinusovkou síťového napětí a ze stejného C₁ je napájen blok pulzního spínače. Výsledkem je pulzující průběh napětí se střední hodnotou asi o 10 až 30 V nižší, než je špičková hodnota síťové sinusovky, viz obr. 3, průběh U_c1. Blok vstupního usměrňovače proto může odebírat ze sítě proud jen v době, po kterou je okamžitá hodnota síťového napětí vyšší, než napětí na C₁ (jinak průchodu proudu brání diody vstupního usměrňovače). Z důvodu kapacitní povahy (jde o nabíjení kondenzátoru C₁) odběru nastane proudový náraz a špička proudu je několikanásobně vyšší, než odpovídá efektivní hodnotě proudového odběru ze zdroje, viz I_in na obr. 3. Ploška na vrcholu sinusového průběhu napětí je tedy způsobena krátkými proudovými pulzy, které zatěžují síť právě jen na vrcholcích napětí. Sklon plošky (viz úhel β na obr. 1) je pak způsobený prostě tím, že pulzy spínaných zdrojů dosahují nejvyšší hodnoty na svém začátku, který je situovaný před vrcholek sinusového průběhu napětí, ale poté proud rychle klesá.

Uvedené neplatí pro zdroje s kompenzovaným účiníkem označované PFC (Power Factor Corrected), u kterých se dodatečným elektronickým obvodem dosáhne roztažení pulzu proudového odběru I_in téměř na šířku půlvlny síťového napětí U_in, a tím i žádaného snížení jeho maximální hodnoty. Z uvedeného také vyplývá, že stejnou nectností trpěly (ano, minulý čas je na místě, najděte dnes takový zdroj) i klasické stejnosměrné zdroje sestávající z transformátoru, usměrňovače a vyhlazovacího kondenzátoru. Ovšem v době „předLEDkové“ bylo zastoupení těchto zdrojů na celkové spotřebě sítě tak malé, že zploštění napěťové sinusovky nebylo pozorovatelné.

Obrázky 4, 5 a 6 jsou příkladem skutečných odběrů proudu u spotřebičů, které jsou v dnešní době hojně používané. Na obrázcích 4 a 5 je zřetelné, čím se od sebe liší LED světelné zdroje na 230 V (LED žárovky). Obr. 4 zobrazuje průběh zcela nejlevnější LED žárovky. Nízké ceny se dosáhlo mj. tím, že zdroj nemá žádné kompenzační obvody pro PFC (korekci účiníku). Na obr. 5 je LED žárovka vyšší cenové kategorie, u které také vidíme, že pulz proudového odběru je roztažen na celou dobu trvání poloviny periody síťového kmitočtu. Odběr síťového zdroje značkového notebooku na obr. 6 se pak již téměř podobá žádoucímu tvaru sinusoidy. Uvedené tři příklady odráží nejen vliv ceny na kvalitu provedení elektroniky zdroje, ale také současnou legislativu. Kvalitu odběru spotřebičů řeší harmonizovaná norma ČSN EN 61000-3-2, která dělí spotřebiče do tříd a definuje nejmenší přípustný účiník a největší možný podíl vyšších harmonických složek v proudovém odběru spotřebiče. Světelné zdroje jsou zařazeny do třídy C a do příkonu 25 W nemají žádné omezení co do hodnoty účiníku i vyšších harmonických. To umožňuje LED žárovky s kvalitou podle obr. 4 prodávat i používat. Maloodběratele elektrické energie velikost účiníku nemusí zajímat, elektroměr měří jen činnou spotřebu, na kterou deformace proudového odběru vliv nemá. Nepříznivé vlivy se však projevují v distribuční soustavě, ve které zvyšují ztráty a snižují přenosovou schopnost.

Obr. 4 Průběh odběru proudu ze sítě: LED žárovka 5 W, cena pod 50 Kč

Obr. 5 Průběh odběru proudu ze sítě: LED žárovka 12 W, cena cca 150 Kč

Obr. 6 Průběh odběru proudu ze sítě: Síťový zdroj notebooku HP, 120 W

Je tedy nasnadě, že na rozdíl od maloodběratelů nejsou situací potěšeny distribuční společnosti a je otázkou, jak se bude legislativní a tarifní rámec upravující používání nekompenzovaných spínaných zdrojů vyvíjet. Jak je obecně známo, velkoodběry jsou vybaveny měřením spotřeby činné i jalové složky odběru již historicky. Maloodběratele od tohoto kroku (zatím) dost účinně chrání náklady na elektroměry schopné obě složky měřit a náklady na masovou výměnu takových elektroměrů. Co není, může však být. Např. ve Francii již došlo u maloodběratelů k montáži elektroměrů schopných měřit i účiník, byť zatím zvýšený jalový odběr zpoplatněn není, viz odkazy http://www.next-up.org/France/Linky_outils.php a https://www.agence-france-electricite.fr/compteur-linky/obligatoire/.

Reakci ČEPS na zhoršování parametrů odběru lze najít v dokumentu Kodex přenosové soustavy, odst. 4.19 o zajištění kvality napěťové sinusovky. Poměrně krátký odstavec říká, že ČEPS „má právo monitorovat a měřit „čistotu“ sinusovky a identifikovat zdroje poruch a navrhovat opatření“. Tato obecná formulace, i když se zřejmě vztahuje spíše na velkoodběratele, nevylučuje „navrhnout opatření“ proti plošnému nasazení velkého množství malých spotřebičů... Dalším možným opatřením bojujícím proti trendu zhoršování účiníku odběru by mohla být úprava normy ČSN EN.