Omawiana norma dotyczy zniekształceń harmonicznych przewodzonych do sieci przez urządzenia elektroniczne pracujące z prądem wejściowym do 16 A na fazę, które podłączone są do publicznej sieci przesyłowej niskiego napięcia.
Norma IEC 61000, jeśli chodzi o urządzenia elektroniczne i ich ograniczenia co do harmonicznych prądu, dzieli je na cztery klasy:
Klasa A:
* Symetryczne urządzenia trójfazowe.
* Urządzenia pracujące w domu, oprócz tych które znajdują się w klasie D.
* Narzędzia, oprócz narzędzi przenośnych.
* Ściemniacze i żarówki energooszczędne.
* Urządzenia audio.
Klasa B:
* Narzędzia przenośne.
* Urządzenia spawalnicze nie będące wyposażeniem profesjonalnym.
Klasa C:
* Urządzenia oświetleniowe.
Klasa D:
* Komputery osobiste.
* Odbiorniki telewizyjne.
* Lodówki i zamrażarki z jednym lub więcej silników o regulowanych obrotach, które kontrolują jedną lub więcej sprężarek.
Urządzenia nie wymienione w powyższym zestawianiu klasyfikowane są w klasie A. Spośród wszystkich czterech klas, klasa D posiada największe wymagania co do testowanego sprzętu z uwagi na fakt, że poziom dozwolonych przewodzonych zakłóceń związany jest z mocą układu. Innymi słowy, jeżeli urządzenie takie ma małą moc, to i zniekształcenia muszą być małe. Prąd wejściowy przy częstotliwościach harmonicznych spełniać musi wymagania zapisane w Tabeli 1.
Tab.1. Limity dola przewodzonych zniekształceń harmonicznych dla urządzeń klasy D.
Aby projektowane przez nas urządzenie spełniało wymagania normy IEC-61000-3-2: 2014 konieczne jest dodanie układu korekcji współczynnika mocy (PFC, Power Factor Correction), aby zredukować wejściowe zniekształcenia harmoniczne. Układy PFC mogą być pasywne, lub aktywne. To jaki układ wykorzystany powinien zostać w naszym urządzeniu wynika głównie z poboru mocy przez nasz układ.
Czym jest pasywne PFC?
Zasadniczą przyczyną kiepskiego współczynnika mocy w zasilaczu impulsowym, jest duży kondensator w linii DC, zaraz za diodami prostowniczymi, co sprawia, że zasilacz taki jest obciążeniem impulsowym dla sieci przesyłowej. Pasywne systemy PFC wykorzystują indukcyjność do kompensacji tej pojemności, tj. do zmniejszenia różnicy faz pomiędzy prądem a napięciem przemiennym na wejściu. Powoduje to zwiększenie współczynnika mocy w układzie. Niestety przy wykorzystaniu pasywnego PFC współczynnik ten nie jest idealny, wynosi zaledwie około 0,7..0,8. Dodatkowo, z uwagi na fakt, że indukcyjność ta pracuje przy częstotliwości sieci, jest ona wyraźnie słyszalna podczas pracy zasilacza. Na rysunku 1 zaprezentowano schemat typowego pasywnego układu PFC w zasilaczu.
Rys.1. Typowy pasywny układ PFC z kompensacją z pomocą indukcyjności.
Tab.2. Lista różnic, pomiędzy aktywnym a pasywnym układem PFC.
| Cecha | Pasywne PFC | Aktywne PFC |
| Współczynnik mocy | 0,6 - 0,8 | powyżej 0,99 |
| Całkowite zniekształcenia harmoniczne | 20% - 30% | <10% |
| Zakres napięć wejściowych | Niskie lub sieciowe | Uniwersalne |
| Wielkość indukcyjności | Duża | Mała |
| Zakłócenia w napięciu wyjściowym | Duże | Małe |
| Problemy z interferencjami elektromagnetycznymi | Brak | Tak |
| Koszt | Niski | Średni |
| Wielkość na płytce drukowanej | Duże | Mała |
| Moc | <250 W | Dowolna |
PFC przejściowe vs PFC z ciągłym przewodzeniem
Gdy moc układu z pasywnym PFC ma być wyższa niż 250 W indukcyjność jest już na tyle wysoka, że stosuje się aktywne systemy PFC, gdyż indukcyjność w systemie byłaby zbyt wielka. Na rysunku 2 zaprezentowano schemat typowego układu aktywnego PFC typu boost.
Rys.2. Typowy aktywny układ PFC typu boost.
W tej topologii prąd indukcyjności L1 płynie jak na rysunku 3a. Oznacza to, że w każdym cyklu przełączania, prąd indukcyjności przechodzi przez zero. Jest to praca w trybie PFC przejściowego (TM). Jeśli prąd przepływający przez indukcyjność wygląda jak na rysunku 3b to oznacza, że układ pracuje w tak zwanym trybie z ciągłego przewodzenia (CCM).
Rys.3. Prąd płynący przez indukcyjność (a) PFC w trybie przejściowym (b) w trybie ciągłego przewodzenia.
Z rysunku 3 wynikać może, że dla tego samego prądu w trybie ciągłego przewodzenia zakłócenia w prądzie będą niższe. Przekłada się to na niższe zniekształcenia harmoniczne. Z drugiej strony w tym trybie prąd RMS dławika PFC jest mniejszy dla tej samej mocy. Oznacza to, że można uzyskać wyższą wydajność systemu, ponieważ niższy prąd RMS zmniejsza straty przełączania na S1. Z drugiej strony z uwagi na przejście prądu przez zero w pierwszym trybie przy każdym cyklu przełączania przetwornicy, nie ma strat na diodzie D1 związanych z regeneracją złącza.
Do zaprojektowania prostego PFC w trybie ciągłego przewodzenia o mocy 350 W i wydajności równej 98% wykorzystać można układ UCC28180. Jest to elastyczny i uniwersalny kontroler PFC w niewielkiej, ośmionóżkowej obudowie. Wykorzystanie tego układu pozwala na osiągnięcie wysokiego współczynnika mocy, niskie zniekształcenia i niewielkie zakłócenia przewodzone EMI.
System oparty o ten kontroler wykorzystać można w uniwersalnych zasilaczach AC o mocy od 100 W do kilku kW. Częstotliwość przełączania układu może być programowalna w zakresie od 18 kHz do 250 kHz co pozwala na wykorzystanie jej tak z tranzystorami MOSFET jak i IGBT. W układ wbudowano drivery bramek układu z prądem wyjściowym od 1,5 A do 2 A co umożliwia szybkie i wydajne sterowanie zewnętrznymi kluczami w układzie. Dzięki zaawansowanemu systemowi pomiaru prądu, wystarczy do niego niewielki opornik w torze prądowym, dzięki czemu zmniejszane są straty w układzie. Pozwala to na zmaksymalizowanie wydajności całego zasilacza.
Rysunki 4, 5 oraz 6 pokazują całkowite zniekształcenia harmoniczne dla 10%, 60% oraz 100% obciążenia. Z przedstawionych rysunków widać, że układ doskonale radzi sobie nawet przy najmniejszym obciążeniu.
Rys.4. Zniekształcenia harmoniczne prądu dla mocy wyjściowej 40 W.
Rys.5. Zniekształcenia harmoniczne prądu dla mocy wyjściowej 200 W.
Rys.6. Zniekształcenia harmoniczne prądu dla mocy wyjściowej 350 W.
Jak widać z powyższych rysunków, przedstawiony przez nas projekt spełnia wymagania urządzenia klasy D według normy IEC61000-3-2 nawet dla bardzo małych obciążeń przetwornicy.
Źródło: Link
