Стандарт EN 61000-3-2 устанавливает четыре класса оборудования, каждый из которых имеет свои пределы гармонических помех:
Класс D: телевизоры, персональные компьютеры и мониторы, потребляющие электроэнергию
; Класс C: осветительное оборудование;
Класс B: портативные инструменты;
Класс A: все остальные
. Оборудование классов A и B имеет абсолютные пределы гармонических помех независимо от входной мощности. Оборудование класса C имеет пределы, выраженные в процентах от потребляемого тока частотой 50 Гц. Оборудование класса D имеет пределы, пропорциональные потребляемой мощности сети. Для оборудования, классифицированного по классам C и D, обычно требуется источник питания с активной коррекцией коэффициента мощности.
Процесс выпрямления и работа накопительного конденсатора:
На приведенной ниже схеме форма входящего переменного напряжения обозначена как VLINE. Пунктирная линия представляет собой выпрямленное переменное напряжение после выпрямительного моста.
Накопительный конденсатор заряжается в течение угла проводимости и медленно разряжается через каскад питания (VCAP). Как только напряжение входящей синусоидальной волны падает ниже напряжения накопительного конденсатора, диод мостового выпрямителя смещается в обратном направлении, и ток не течет до тех пор, пока напряжение входящей выпрямленной синусоидальной волны снова не превысит напряжение накопительного конденсатора. Угол проводимости обычно составляет 2–3 мс.
Сложная форма входящего тока генерирует гармоники, представляющие интерес для генератора электроэнергии. Гармоники вносят вклад в полную мощность (действительная и полная мощность более подробно обсуждаются позже). Показанная форма тока приведет к коэффициенту мощности около 0,5–0,6.
Почему гармонические искажения представляют проблему?
Энергетическая компания обязана подавать напряжение и весь ток, даже если часть его не преобразуется в полезную выходную мощность. У компании нет возможности взимать плату за дополнительный ток, поскольку электроэнергия оплачивается в кВт·ч.
Совокупный эффект миллионов источников питания приводит к искажению переменного напряжения, поскольку весь ток потребляется на пике синусоидальной волны. Силовые проводники должны быть рассчитаны на дополнительный ток, вызванный низким коэффициентом мощности. Нейтральные проводники могут перегреваться, поскольку они, как правило, не рассчитаны на пропускание всех гармонических токов, которые отсутствуют в нагрузках с высоким коэффициентом мощности.
Что такое пассивная коррекция коэффициента мощности?
Для соответствия законодательству о гармонических искажениях существует два основных решения для источников питания. Сначала мы обсудим пассивную коррекцию коэффициента мощности, которая обычно включает добавление индуктора или резистора, работающего на частоте сети переменного тока. Индуктор сглаживает форму тока, поскольку является реактивным компонентом, сопротивляющимся изменениям тока. Резистор уменьшает пиковый ток. Чем более плавной является форма тока, тем ниже уровень гармонических искажений.
Когда целесообразно использовать пассивную коррекцию коэффициента мощности?
Пассивная коррекция коэффициента мощности — очень простое решение, но необходимо учитывать его преимущества и недостатки. Она непрактична для источников питания мощностью более 300 Вт из-за размеров компонентов, необходимых для обеспечения достаточной индуктивности на частоте 50/60 Гц и поддержания достаточно низких резистивных потерь. Это решение не подходит для осветительных приборов, персональных компьютеров или цветных телевизоров, но является жизнеспособным вариантом для оборудования класса А.
На рисунке 4 показано измерение в реальном времени уровней пассивной коррекции коэффициента мощности и гармонических токов.
Активная коррекция коэффициента мощности.
Второе решение, которое следует рассмотреть, — это активная коррекция коэффициента мощности. В ней используется высокочастотный повышающий преобразователь для электронного управления формой входящего тока. Входящее переменное напряжение контролируется и используется в качестве эталона для определения ширины каждого импульса высокочастотного коммутируемого тока.
Ток потребляется серией импульсов с частотой приблизительно 100 кГц, что эквивалентно 2000 импульсам на цикл сетевого напряжения.
Фильтр нижних частот ЭМС улавливает и устраняет высокочастотную составляющую, поэтому ток, поступающий в электрическую сеть, имеет синусоидальную форму. Система регулирует выходное постоянное напряжение примерно до 400 В постоянного тока. На приведенной ниже диаграмме показано измерение активной коррекции коэффициента мощности в реальном времени.
Сравнение пассивной и активной коррекции коэффициента мощности:
Пассивная коррекция коэффициента мощности отличается простотой и надежностью, а также помогает снизить уровень электромагнитных помех (ЭМП) и способствует фильтрации. Однако у нее есть недостатки, такие как необходимость в тяжелых и громоздких компонентах, переключение диапазонов переменного тока и тенденция к более низкому коэффициенту мощности. Эти и другие факторы могут ограничивать использование нескольких источников питания в системе.
С другой стороны, активная коррекция коэффициента мощности обеспечивает высокий коэффициент мощности (>0,9), низкий пусковой ток и совместимость с универсальными входами. Она также обеспечивает регулируемую высоковольтную шину, время технического обслуживания, менее зависящее от входного напряжения, и возможность использования нескольких источников питания. Однако она влечет за собой более высокие затраты, большую сложность, большее количество компонентов и потенциально меньшее расчетное среднее время безотказной работы (MTBF).
Аннотация:
Управление гармоническими токами в источниках питания имеет важное значение для обеспечения соответствия нормативным требованиям, поддержания качества электроэнергии и повышения энергоэффективности. Кроме того, это позволяет снизить проблемы электромагнитных помех (ЭМП), продлить срок службы оборудования и контролировать эксплуатационные расходы.
Автор: Кент Смит, XP Power - https://www.xppower.com
