PFC дроссели EPCOS для ограничения гармоник тока бытовой электроники

Классификация ТС по стандарту ГОСТ Р 51317.3.2?99

С 1 января 2002 года в России действует государственный стандарт ГОСТ Р 51317.3.2-99, ограничивающий максимальную эмиссию гармонических составляющих тока технических средств (ТС). Этот стандарт распространяется на ТС, максимальная величина потребляемого тока которых (в одной фазе) не превышает 16 ампер. Немаловажной подгруппой данных ТС является бытовая электроника: телевизионные приемники, компьютеры, видеомагнитофоны, пылесосы, стиральные машины, микроволновые печи, кондиционеры и проч.

Стандарт ГОСТ Р 51317.3.2-99 устанавливает различные нормы гармоник тока для разных классов ТС. Бытовая электроника относится к ТС класса D, которые определены данным стандартом как «ТС с потребляемым током, характеризующимся специальной формой кривой (см. рис. 1), и активной мощностью, не превышающей 600 Вт». Ток и мощность ТС класса D, согласно требованиям стандарта, следует измерять в определенных, регламентированных стандартом условиях.

Перечислим остальные классы ТС, согласно классификации стандарта:

• класс А — симметричные трехфазные ТС и ТС других видов, исключая относящиеся к классам В, С и D;
• класс В — переносные электрические инструменты;
• класс С — световые приборы, включая устройства регулирования.

Нормы гармонических составляющих тока для класса D

Смотри таблицу 1.

Стандарты МЭК 61000?3?2?95 и EN61000?3?2 как прообраз российского ГОСТ Р 51317.3.2?99

Российский стандарт ГОСТ Р 51317.3.2-99 основан на европейском стандарте EN61000-3-22 и является гармонизацией EN61000-3-2 (текст обоих стандартов не имеет принципиальных различий, а нормы гармонических составляющих тока одинаковы для всех классов ТС: A, B, C и D). Стандарт EN61000-3-2 уже с 1 января 2000 г. определяет соответствующие нормы эмиссии гармонических составляющих ТС, находящихся в Европейском союзе (ЕС) (то есть европейский стандарт вступил в силу на год раньше российского). Нормы касаются в том числе и того оборудования, которое экспортируется в ЕС.

В свою очередь, европейский стандарт EN61000-3-2 был сформулирован Европейским комитетом по электротехнической стандартизации (CENELEC)3 на основе международного стандарта МЭК61000-3-2-95 (IEC61000-3-2-95)⁴.

Наличие в цепи гармонических составляющих и функция накопительного конденсатора в мостовой выпрямительной схеме

При наличии гармонических составляющих в токе, питающем нагрузку, его форма отличается от синусоидальной: кроме первой гармоники I₁ тока, определяющей активную мощность, в нем присутствуют кратные гармоники (I₃, I₅, I₇ и более старшие — согласно разложению в ряд Фурье).

Причиной возникновения гармоник, как правило, являются нелинейные нагрузки сети, в том числе выпрямители, импульсные блоки питания (ИБП), бесперебойные источники питания (UPS) и т. п. Кроме того, высокочастотные составляющие тока возникают при запуске двигателей, при тиристорной коммутации нагрузки, при работе сварочных аппаратов, а также при флуктуациях нагрузки и при неполном включении нагрузки в сеть.

Наличие гармоник в сети оказывает негативное влияние на нагрузки сети. Гармоники несинусоидального тока на входе ИБП могут усиливаться в самом ИБП, если не предприняты защитные меры. Как известно, импульсными являются блоки питания современных телевизоров. Ток, потребляемый ИБП, имеет форму импульсов, приходящихся на периоды времени, когда напряжение сети превышает напряжение накопительного конденсатора (см. рис. 2). Эти импульсы являются урезанными, сжатыми по времени полуволнами синусоиды (с малым углом отсечки), с увеличенной амплитудой. Малая ширина импульса приводит к тому, что мощность отбирается от сети только в ограниченные интервалы времени, вблизи максимума импульса. Таким образом происходит дополнительное искажение формы тока сети и усиление гармоник тока.

Данное явление легче всего заметить в вечернее время, когда по окончании рабочего дня люди возвращаются домой и в массовом количестве включают телевизоры. Искаженная форма тока, потребляемого телевизионными приемниками, естественно, негативно отражается и на других нагрузках. Паразитный рост амплитуды тока приводит к ложному срабатыванию интегральной логики и низковольтной аппаратуры, сбоям в телекоммуникационном и микропроцессорном оборудовании, расположенном по соседству; в трехфазных сетях — к возникновению тока в нулевом и заземляющем проводниках, а также к несимметричности тока (или напряжения) в фазных проводах и сопутствующему ряду нежелательных явлений.

Проблема обеспечения норм гармоник тока

Одной из мер несинусоидальности тока является коэффициент мощности (КМ), определяемый отношением активной мощности P, потребляемой нагрузкой, к полной мощности S. С другой стороны, КМ равен косинусу угла между током и напряжением. Таким образом, КМ равен:

cos φ= P/S.

Полная мощность есть произведение полного тока I на напряжение U:

S = I × U,

а полный ток I — суперпозиция основной (первой) гармоники, определяющей активную мощность нагрузки, и кратных (высших) гармоник. Оптимальному режиму эксплуатации нагрузки соответствует КМ=1, так как при этом вся входная мощность потребляется нагрузкой. На практике стараются получить КМ, близкий к единице (например, 0,9), с помощью различных средств коррекции.

В англоязычной литературе коррекция КМ сокращенно обозначается PFC (Power Factor Correction). Соответственно, контроллер коррекции КМ (см. далее) иначе называют PFC-контроллером, а дроссель коррекции КМ — PFC-дросселем. Далее мы будем пользоваться этими терминами.

PFC?контроллеры — сложный («активный») способ решения проблемы

Можно указать два способа коррекции КМ, с помощью которых обеспечиваются требования стандарта ГОСТ Р 51317.3.2-99 (EN61000-3-2) по синусоидальности потребляемого тока (заданный уровень гармоник и величина КМ, близкая к единице):

• «активная» коррекция КМ;
• «пассивная» коррекция КМ.

При активной коррекции КМ используется интегральная схема (ИС) PFC-контроллера (корректора КМ). В частности, концерн Infineon Technologies выпускает ИС PFC-контроллеров серий ICE1PD265/165. Такая ИС представляет собой законченный функциональный узел (управляемый выпрямитель, или вольтодобавочный усилитель) и позволяет решить проблему КМ, возникающую при проектировании новых изделий за счет электронного управления формой тока в ИС.

Однако подключение ИС PFC-контроллера, как правило, требует пересмотра или перепроектирования схемы блока питания нагрузки. С другой стороны, стандарт ГОСТ Р 51317.3.2-99 относится как к новым изделиям, поступающим на рынок, так и к старым, уже находящимся в эксплуатации, а также к изделиям, выпущенным ранее и находящимся, например, на складах продавцов. Поэтому для готовых (ранее спроектированных) устройств предпочтительна пассивная коррекция КМ. Она обеспечивается подключением на входе нагрузки фильтрующего (сглаживающего) дросселя.

Преимущества применения PFC?дросселей («пассивный» способ)

Кроме простоты подключения, данный вариант характеризуется низкой стоимостью компонентов (дросселей) и компактностью их размещения на плате (не требуется теплоотвода, как для случая с ИС PFC-контроллера). При этом КПД пассивной схемы (98–99 %) весьма близок к КПД активной.

Задача PFC?дросселя и его расположение в блоке питания

PFC-дроссель затягивает фронт импульса входного тока, снижая при этом его амплитуду. Соответственно, снижается уровень высших гармоник тока, а также реактивная мощность, а КМ повышается.

PFC-дроссель устанавливают на входе ИБП, до выпрямительного моста, согласно рис. 4 (но после тококомпенсирующего дросселя). При одновременном использовании Х-конденсатора и тококомпенсирующего дросселя последний рекомендуется подключать между Х-конденсатором и PFC-дросселем, чтобы исключить возможность образования ими резонансного контура.

Как следует из рис. 4а, в отсутствие PFC-дросселя ток потребления ИБП явно не удовлетворяет нормам стандарта ГОСТ Р 51317.3.2-99 (EN61000-3-2). При включении PFC-дросселя с индуктивностью L = 18 мГн гармоники выше третьей не выходят за пределы стандарта. Дело в том, что величина третьей гармоники I3, как правило, является наиболее критичной в отношении верхнего лимита. Соответствующий лимит стандарта отмечен на рис. 4 линией красного цвета.

Обеспечение требований стандарта ГОСТ Р 51317.3.2?99 с помощью PFC?дросселей серии B82991?S концерна EPCOS

Опыты инженеров концерна EPCOS показали, что требования стандарта ГОСТ Р 51317.3.2-99 (EN61000-3-2) относительно гармоник тока можно обеспечить PFC-дросселем с L ≥ 36 мГн или несколькими PFC-дросселями с бОльшим значением индуктивности. В практических схемах EPCOS рекомендует использовать PFC-дроссели с L ? 40 мГн. Уровень гармоник тока для этого случая иллюстрирует рис. 4в.

Например, при использовании PFC-дросселя B82991-S2601-N1 (см. табл. 2) с индуктивностью 68 мГн амплитуда полного тока снижается более чем в два раза (0.859/1.977 = 43 % от исходной величины). Изменение формы кривой тока показано на рис. 5.

Данные табл. 2 и рис. 5 соответствуют экспериментальным данным, полученным специалистами концерна EPCOS при измерениях в блоке питания телевизора мощностью 75 Вт.

На рис. 6 графически показан (сплошная линия) лимит гармоник для ТС класса D мощностью 75 Вт в соответствии со стандартом ГОСТ Р 51317.3.2-99 (сравните с данными табл. 1). Пунктирная кривая, соответствующая обычному уровню гармоник на входе блока питания телевизора (75 Вт), не удовлетворяет стандарту. Применение PFC-дросселя (штрих-пунктир) снижает уровень гармоник до величины, меньшей, чем та, что определена стандартом.

Номенклатура PFC?дросселей концерна EPCOS

Концерн EPCOS производит широкий спектр дросселей, предназначенных для подавления сетевых помех, и в том числе высших гармоник тока. В частности, группа B82991-S PFC-дросселей концерна EPCOS состоит из трех дросселей с различной индуктивностью (см. табл. 3).

Группы B82991-Sx-N1 и B82991-Sx-N2 (см. табл. 4) отличаются друг от друга только типом разъема: «проушины» разъема дросселя B82991-Sx-N1 удобны для подпаивания контактных проводников, а штыри разъема дросселя B82991-Sx-N2 обеспечивают монтаж дросселя на печатной плате.

Стоит заметить, что для значений тока, лежащих в диапазоне 1–10 А, с целью компенсации его гармоник можно также использовать дроссели с тороидальным (кольцевым) порошкообразным сердечником (Ring Powder Core) серий B82615/17/23…25/27.

Сердечник дросселей группы B82991-S выполнен из многослойного железа.

Однако при мощности нагрузки, не превышающей 200 Вт (ток не превышает 1,5 А), PFC-дроссель серии B82911-S обладает оптимальными параметрами (заданный уровень подавления гармоник тока при ограниченной массе и габаритных размерах) благодаря сердечнику, выполненному из многослойного железа, что исключает режим насыщения сердечника.