Zlepšení síťového proudu spínaných zdrojů

Zlepšení síťového proudu spínaných zdrojů

Ing. Pavel Lukeš, FEL ČVUT

V poslední několika letech zásadně vzrostl počet spotřebičů, pro jejichž provoz a odběr ze sítě nízkého napětí je zapotřebí zdroj stejnosměrného napětí. Jsou to zejména moderní domácí spotřebiče nebo spotřebiče z oblasti informačních technologií – osobní počítače, monitory, televizory apod. Usměrňovače střídavého napětí jsou obvykle součástí jejich vstupního napájení.

Polovodičové statické usměrňovače jsou dnes nejrozšířenějším druhem měničů vůbec. Jsou napájeny ze střídavé sítě a přeměňují střídavý proud na stejnosměrný. Jejich využití bylo doposud významné zejména ve vyšších výkonových třídách v průmyslu – napájení budicích vinutí stejnosměrných a synchronních strojů (například vestavěné přímo do rotoru synchronního stroje) nebo kotev stejnosměrných motorů u regulovaných stejnosměrných pohonů.

V průmyslu jsou používány usměrňovače s odběry od několika desítek V a proudy až několik set kA pro svařovací usměrňovače, zdroje pro stejnosměrné trakční pohony, a to jak v měnírnách pro napájení troleje, tak přímo v lokomotivách při střídavém trakčním vedení nebo dále jako zdroje pro napájení stejnosměrných regulovaných pohonů o výkonu až několika MW. Další oblastí použití usměrňovačů jako zdroj jsou elektrochemické procesy - elektrolýza a galvanické pokovování. V energetice usměrňovače mění střídavou energii na stejnosměrnou a s napětím o hodnotě až několik set kV umožňují její přenos na velké vzdálenosti. Usměrňovače tvoří také součást svařovacích polovodičových agregátů, dále automatických nabíječek a jsou také součástí měničů kmitočtu pro pohonářské aplikace o výkonu až několik desítek MW.

Se zdokonalováním techniky se jich stále více používá i ve spotřebitelských aplikacích. Ty mohou být velmi rozmanité, podle nároků na odebírané napětí a proud.

Jednofázový můstkový usměrňovač, principiálně zmiňovaný v tomto článku, je osazen pouze diodami (V1 až V4) jedná se tedy o neřízený usměrňovač. V případě nahrazení dvojice diod V1, V3 tyristory by šlo o polořízený, u plného nahrazení diod tyristory o plně řízený usměrňovač. Na rozdíl od usměrňovačů v uzlovém zapojení, můstkové usměrňovače umožňují využití obou polarit napájecího střídavého napětí. Horní dvojice diod (V1, V3 – s katodovým uzlem) slouží pro usměrňování kladných půlvln napájecích fázových napětí, dolní dvojice (V2, V4 – s anodovým uzlem) usměrňuje záporné půlvlny napětí. V článku jsou nastíněny možné způsoby omezení harmonických proudů tak, aby můstkové usměrňovače vyhověly normě ČSN EN 61000-3-2, která se mj. zabývá i připojením spotřebičů k veřejným distribučním sítím. Je zde podrobněji rozebírána varianta se sériovou tlumivkou jako jedna z nejlevnějších variant. Do grafů jsou vyneseny orientační hodnoty indukčnosti v závislosti na výkonu zdroje, jak pro zdroje patřící do třídy D, což jsou zdroje počítačů a televizorů, tak pro ostatní zdroje patřící do třídy A. Vypočtené hodnoty je možné použít při návrhu zdroje, který má splňovat požadavky předepsané normou.

1. Požadavky na mezní hodnoty harmonických proudů

Stále rostoucí využívání výpočetní techniky ve všech oblastech lidského působení v několika posledních letech způsobilo, že nemalé procento výkonu ze sítě nízkého napětí je odebíráno právě prostředky výpočetní techniky. Na vstupu každého počítače je zdroj stejnosměrného napětí, který dodává elektrickou energii obvodům a periferním zařízením počítače. V současné době se jedná o spínané zdroje, které jsou mimo jiné tvořeny můstkovým usměrňovačem (obr. 1). Aby se docílilo požadovaného zvlnění usměrněného napětí, je na výstup usměrňovače připojen vyhlazovací kondenzátor. Kapacita těchto vyhlazovacích kondenzátorů je závislá na tom, jaké zvlnění napětí je od zdroje vyžadováno, a na jmenovitém výkonu zdroje. Obecně lze říci, že kapacita těchto kondenzátorů, u běžně používaných zdrojů, bývá řádově stovky mikrofaradů.

Obr. 1. V usměrňovači je současně vypínána jedna skupina polovodičových součástek (diody V1, V2) a proud zátěže přebírá druhá skupina součástek (diody V3, V4)
V1 až V4 - polovodičové prvky obvodu usměrňovače – diody; i_v1, i_v2 (resp. i_v3, i_v4) - okamžité hodnoty proudů diod V1, V2 (resp. V3, V4) v jednom usměrňovacím taktu; i_d – usměrněný proud; L1, L2 – tlumivky; C – vyhlazovací kondenzátor

Použitím vyhlazovacího kondenzátoru se sice dosáhne snížení zvlnění výstupního usměrněného napětí, ale za cenu toho, že připojená zátěž bude ze sítě odebírat značně deformovaný proud s vysokým podílem harmonických složek lichých řádů. Harmonické proudy tečou od zdroje do sítě, kde vyvolávají napěťové úbytky na impedancích sítě, čímž dochází k deformaci sinusového napětí sítě a tím ke vzniku elektromagnetického rušení. Mimo to je také přetěžován střední vodič, který není vždy dimenzován na tak velký proud, vznikající vlivem nelineárních spotřebičů.

2. Omezení harmonických proudu

Uvedené negativní dopady zařazování výpočetní techniky vedly ke zpřísnění požadavků na maximální hodnoty harmonických proudů, které smí zdroj produkovat. Podle staré normy, která určovala omezující obsah harmonických síťového proudu, EN 60555-2 z roku 1987, popř. z roku 1993 jako ČSN IEC 555-2, patřily počítače do skupiny běžných zařízení, pro něž je přípustný proud harmonických omezen pouze tolerantní pevnou hranicí, nezávisle na příkonu zařízení. V roce 1997 byla převzata norma EN 61000-3-2 z roku 1995 jako ČSN EN 61000-3-2, která byla dále pozměněna v roce 2001. Tato část IEC 61000 se týká elektrických a elektronických zařízení se vstupním fázovým proudem až do 16 A včetně, u nichž se předpokládá připojení do veřejných distribučních sítí nízkého napětí. Profesionální zařízení (zařízení určené pro použití v obchodech, odborných dílnách nebo v průmyslu a které není určeno k prodeji široké veřejnosti – toto označení musí být stanoveno výrobcem), které není ve shodě s požadavky této normy, se může připojit k určitým typům nízkonapěťových napájení, jestliže návod k použití obsahuje požadavek vyžádání souhlasu s připojením od dodavatele energie.

Pro účely omezení harmonického proudu člení norma zařízení do čtyř skupin (tab. 1):

Tab. 1. Meze pro zařízení třídy A a D

• Třída A: Symetrická trojfázová zařízení, domácí spotřebiče (kromě zařízení identifikovaného jako zařízení třídy D), nářadí (kromě přenosného nářadí), stmívače pro žárovky, zvuková zařízení a všechna ostatní zařízení, která nespadají do další ze tří tříd. Pokud by některé zařízení spadající do třídy A vykazovalo značný účinek na napájecí síť, může být v budoucím vydání normy zařazeno do jiné třídy.

• Třída B: Přenosná nářadí.

• Třída C: Světelná zařízení.

• Třída D: Zařízení s příkonem menším nebo rovným 600 W, např. osobní počítače a monitory osobních počítačů, televizní přijímače.

Meze harmonického proudu nejsou specifikovány pro tyto kategorie:

• Zařízení o jmenovitém výkonu 75 W nebo menším, jiné než světelné zařízení.
• Profesionální zařízení s celkovým jmenovitým výkonem větším než 1 kW.
• Symetricky řízené ohřívací prvky se jmenovitým výkonem menším nebo rovným 200 W.
• Nezávislé stmívače se jmenovitým výkonem menším nebo rovným 1 kW.

3. Zdroje pro PC

Aby počítačové zdroje vyhověly požadavkům uvedené normy, je třeba použít opravné prostředky, které potlačí nežádoucí harmonické proudu.

Jedním ze způsobů je použití filtru PFC (Power Factor Corrector), který pulsně šířkovou modulací upravuje odebíraný proud tak, že se blíží sinusovému průběhu. Další cestou je použití aktivního filtru, jehož výkonovou část tvoří pulsně šířkově modulovaný střídač, který generuje zkreslený proud pro nelineární zátěž, přičemž výsledkem je téměř sinusový proud odebíraný ze sítě. Oba způsoby jsou náročné, zvláště použití aktivního filtru, který je i finančně nákladný a pro takto malé výkony nepřipadá v úvahu. Nejjednodušší cestou, jak vyhovět požadavkům normy, je použití tlumivky, která je zařazena do série s usměrňovačem.

Na obr. 2 jsou znázorněny průběhy napětí a proudu odebíraného můstkovým usměrňovačem hodnoty 200 W s vyhlazovacím kondenzátorem a malou sériovou tlumivkou 1 mH. Je zřejmé, že odebíraný proud je značně nesinusový. Rozloží-li se odebíraný proud usměrňovačem na harmonické složky, porovnáním s požadavky normy se zjistí, že zdroj je nevyhovující. Šířka proudových pulsů, které jsou usměrňovačem odebírány, je závislá na požadovaném zvlnění výstupního napětí. Čím menší zvlnění napětí je vyžadováno, tím větší musí být kapacita použitého vyhlazovacího kondenzátoru a tím také budou užší pulsy odebíraného proudu. Zařazením tlumivky do série k usměrňovači se docílí toho, že proud bude protékat diodami delší dobu a tím se rozšíří pulsy odebíraného proudu v porovnání s usměrňovačem bez tlumivky. Vypočítáním hodnot jednotlivých harmonických u tohoto proudu se zjistí, že došlo ke snížení hodnot lichých harmonických proudu. Zařadí-li se do obvodu tlumivka s dostatečně velkou indukčností, dosáhne se snížení harmonických proudu na povolenou úroveň. Vliv sériové indukčnosti je patrný na obr. 3 – zde jsou zřejmé průběhy napětí a proudu usměrňovače 200 W shodného s usměrňovačem z obr. 2. V tomto případě je do obvodu zařazena tlumivka s indukčností 23 mH. Oproti obr. 2 jsou zde proudové pulsy odebíraného proudu širší. Vypočítáním harmonických proudu se zjistí, že pro zdroj 200 W se zvlněním výstupního napětí 10 % je tlumivka s indukčností 23 mH dostatečně velká, aby zdroj vyhověl požadavkům normy.

Na obr. 4 jsou znázorněny jednotlivé složky proudu pro případ proudu z obr. 2 a pro případ proudu z obr. 3. Pro vyhodnocení jsou na obr. 4 zobrazeny složky harmonických proudu tak, jak je připouští norma ČSN EN 61000-3-2. Je zřejmé, že zařazením tlumivky s indukčností 1 mH se omezí 3. harmonická proudu na přípustnou hodnotu, ale ostatní liché harmonické značně překračují normou povolené meze. Naproti tomu tentýž zdroj s tlumivkou o indukčnosti 23 mH plně vyhoví normě.

Jak velkou indukčnost sériové tlumivky je třeba zvolit, aby zdroj vyhověl požadavkům normy, závisí na výkonu zdroje a na požadovaném zvlnění, tedy na kapacitě vyhlazovacího kondenzátoru. Z obr. 5 je patrné, jakých hodnot musí dosahovat sériová indukčnost v závislosti na výkonu zdroje při zvlnění výstupního napětí 10 %. Vypočítané hodnoty platí pro spotřebiče třídy D, tj. pro počítače, monitory a televizní přijímače do příkonu menšího nebo rovného 600 W. Pro zdroj o příkonu 75 W je nutné do obvodu zařadit tlumivku s indukčností 90 mH, s rostoucím příkonem hodnota indukčnosti tlumivky klesá po hyperbole až na hodnotu 10 mH pro zdroj s příkonem 600 W. Tato závislost vyplývá z požadavků normy, která předepisuje meze rostoucí s činným příkonem zdroje.

4. Ostatní zdroje
Pro zdroje ostatních spotřebičů zařazených podle normy do třídy A jsou vypočtené hodnoty indukčnosti sériové tlumivky ukázány na obr. 6. Na harmonické proudy těchto spotřebičů jsou kladeny nižší požadavky než na spotřebiče třídy D, meze pro jednotlivé harmonické jsou pevné, nezávislé na výkonu zdroje. Tomu také odpovídá výsledný průběh indukčnosti sériové tlumivky v závislosti na příkonu zdroje. Bude-li zvlnění výstupního napětí uvažováno 10 % jako v předešlém případě, pro zdroj 200 W je nutné zařadit tlumivku o indukčnosti 1 mH. Se vzrůstajícím příkonem zdroje roste indukčnost sériové tlumivky. Pro zdroj 1 000 W je nutné zařadit tlumivku s indukčností 23 mH.

Ze schématu na obr. 1 vyplývá, že tlumivku je možné umístit před usměrňovač nebo až za usměrňovač před vyhlazovací kondenzátor. Je-li velikost její indukčnosti volena s ohledem na potlačení harmonických síťového proudu, tj. v rozsahu podle obr. 5 a obr. 6, je síťový i usměrněný proud přerušovaný, ve tvaru oddělených proudových pulsů. V takovém případě nemá umístění tlumivky na průběhy obvodových veličin žádný vliv; nezáleží na tom, zda je umístěna před usměrňovač nebo až na jeho výstup.

Tím se toto upořádání podstatně liší od zcela jiného případu, kdy úkolem tlumivky je vyhlazení usměrněného proudu. Tehdy je indukčnost tlumivky výrazně větší a usměrněný proud nepřerušovaný. To vyžaduje umístit tlumivku jednoznačně pouze na výstupní stranu usměrňovače. Analýza takového případu je však dostatečně známa, a článek se jí proto nezabývá.

5. Závěr

Problematika omezení harmonických síťového proudu spínaných zdrojů pomocí sériové tlumivky byla zkoumána pouze na teoretické úrovni. Můstkový usměrňovač s vyhlazovacím kondenzátorem a sériovými tlumivkami byl namodelován v programu Dynast. Pro různé výkony zdroje byla experimentálně zjišťována hodnota indukčnosti tlumivky tak, aby vyšší harmonické proudu vyhověly normě. Kapacita vyhlazovacího kondenzátoru byla volena tak, aby zvlnění výstupního napětí bylo maximálně 10 %. Usměrňovač byl napájen ze sítě se standardními parametry podle ČSN IEC 725 vztažné impedance pro užití při určování rušivých charakteristik domácích spotřebičů a podobných elektrických zařízení – Z = (0,4 + j0,25) W. Výpočty vyšších harmonických byly rovněž prováděny programem Dynast.

Získané výsledky mohou být použity při návrhu síťové části spínaných zdrojů. Uvedené diagramy představují orientační směrnici pro optimální návrh síťové tlumivky z hlediska dodržení požadavků na přípustný obsah harmonických síťového proudu, jak je předepisuje harmonizovaná norma ČSN EN 61000-3-2.

Článek vznikl v rámci řešení výzkumného záměru FEL ČVUT Výzkum efektivnosti a kvality spotřeby energie a v rámci řešení grantového projektu EMC spínaných zdrojů