Korekcja Współczynnika Mocy w urządzeniach zasilających w świetle nowych uregulowań obowiązujących w Unii Europejskiej.

 

Od 1 stycznia 2001 w Unii Europejskiej zaczęła obowiązywać norma EN61000-3-2 dotycząca ochrony sieci energetycznych przed zakłóceniami poprzez ograniczenie wprowadzania harmonicznych prądu przez urządzenia z niej zasilane. W nowoczesnym świecie nasyconym układami elektroniki i automatyki za kształt prądu pobieranego z sieci odpowiedzialny jest przede wszystkim zasilacz stanowiący pierwsze ogniwo łączące te układy z siecią energetyczną.

W poniższym artykule przedstawiono szereg spostrzeżeń, które wyjaśnią użytkownikom różnego rodzaju zasilaczy oraz ich producentom, jak wymagania powyższej normy wpływają na zmiany w konstrukcji urządzeń zasilających, na dobór odpowiednich zasilaczy do konkretnych potrzeb oraz w efekcie na ewentualne koszty, które należy ponieść w celu spełnienia nowych wymagań.

 

Już w latach 80-tych zaczęto poważnie rozważać problem zakłóceń pracy sieci energetycznych powodowanych przez silnie nieliniowy pobór prądu przez urządzenia masowo pojawiające się nie tylko w przemyśle, ale głównie w biurach, bankach i gospodarstwach domowych. Wszechobecna elektronika wymaga zasilania i to zasilania pewnego, stabilnego i nie powodującego dodatkowych strat energii. Stąd ogromny rozwój produkcji zasilaczy bezprzerwowych (tzw. UPS-ów – ang. Uninterruptible Power Supply) zabezpieczających ważne systemy przed zanikiem napięcia w sieci, zasilaczy impulsowych zapewniających dużą sprawność i niewielkie wymiary, energooszczędnych źródeł światła i ich elektronicznych zapłonników. Wpływ tych urządzeń na sieć zasilającą jest omówiona w wielu publikacjach (np. „Korekcja Współczynnika Mocy”, ELEKTRONIK Magazyn Elektroniki Profesjonalnej, grudzień 2001) i nie chcąc się powtarzać przypomnę jedynie, że niesinusoidalny kształt prądu pobierany z sieci energetycznej przez ogromną większość wymienionych urządzeń jest przyczyną takich zjawisk, jak: zmniejszenie zdolności zasilającej sieci, nadmierny wzrost temperatury przewodów (w szczególności przewodu zerowego), a co za tym idzie konieczność stosowania większych przekrojów, wywoływanie niestabilności, rezonansów przepięć w sieci, odkształcenia sinusoidalnego przebiegu napięcia sieci, a także zakłócenia w pracy urządzeń wykorzystujących w celach pomiarowych momenty przechodzenia przez zero napięcia (prądu) sieci zasilającej.

Prace nad uregulowaniem dotyczącym kwestii zakłóceń harmonicznych były już prowadzone od roku 1982 i początkowo ograniczenia dotyczyły jedynie sprzętu elektrycznego w gospodarstwach domowych. Po kolejnych zmianach i uzupełnieniach w roku 1995 stosowanie ograniczeń rozszerzono na wszystkie urządzenia pobierające z sieci prąd nie przekraczający 16A dla jednej fazy. Jednak ze względu na duży opór lobby producentów sprzętu elektronicznego, w szczególności sprzętu powszechnego użytku termin wprowadzenia obligatoryjnego stosowania standardu wciąż przesuwał się w czasie. W końcu przyjęto ostateczny termin wejścia w życie nowej normy EN61000-3-2 na dzień 01.01.2001 roku.

Warto może w tym miejscu przedstawić w skrócie podstawowe założenia pierwotnej wersji tego dokumentu. Otóż twórcy przepisów odnieśli je do urządzeń zasilanych z sieci jedno- lub trójfazowej pobierających prąd nie przekraczający 16A dla każdej z faz zasilania i o całkowitej mocy pobieranej w sposób ciągły mieszczącej się w zakresie od 75W do 1000W. Wszystkie urządzenia poniżej dolnej granicy mocy nie podlegają ograniczeniom normy (przy czym zaplanowano przesunięcie dolnego ograniczenia mocy do wartości 50W po upływie okresu przejściowego), a urządzenia o mocy większej od 1000W również nie muszą spełniać wymagań standardu. Dodatkowo wszystkie urządzenia podlegające ograniczeniom podzielone zostały na cztery podstawowe klasy:

A - elektroniczne układy sterujące silnikami elektrycznymi (z regulacja kąta zapłonu),

większość urządzeń elektrycznych stosowanych w gospodarstwach domowych (za

wyjątkiem urządzeń należących do klasy D), domowe systemy audio-video i

praktycznie wszystkie urządzenia zasilane z sieci trójfazowej ( <16A/fazę ).

 

B - elektryczne urządzenia i przenośne elektronarzędzia, poziomy dopuszczalne

podwyższone o 50% w stosunku do urządzeń grupy A.

 

C - urządzenia związane z techniką oświetleniową, włączając układy regulacji

natężenia oświetlenia, pobierające moc czynną powyżej 25W.

D - wszystkie urządzenia pobierające z sieci prąd o „określonym” kształcie.

Wymagania dla urządzeń klasy A i B są stosunkowo łatwe do spełnienia. Wystarczy, że kolejne harmoniczne prądu zasilającego nie przekroczą zadanych poziomów (wymagania sprawdza się do 40-tej harmonicznej) przy czym istotne jest, że maksymalne wartości amplitudy poszczególnych składowych są podane w amperach jako wielkości bezwzględne i nie zależą od mocy urządzenia. Wartości amplitud prądu dla klasy A podane są w poniższej tabeli:

Składowa harmoniczna [n]

Maksymalna dopuszczalna amplituda prądu [A]

2

1,08

3

2,30

4

0,43

5

1,14

6

0,30

7

0,77

8 – 40 (parzyste)

0,23 x 8/n

9

0,40

11

0,33

13

0,21

15 – 39 (nieparzyste)

0,15 x 15/n

Urządzenia należące do klas C i D jako występujące powszechnie i w dużej liczbie, mają ograniczenia zdecydowanie bardziej rygorystyczne przede wszystkim dlatego, że dopuszczalne poziomy są zdecydowanie niższe i dodatkowo uzależnione są od pobieranej przez dane urządzenie mocy. Nie wnikając w szczegółowe określenia dopuszczalnych poziomów można powiedzieć, że dla tych obu klas prąd pobierany z sieci powinien być bardzo zbliżony do sinusoidy dla wszystkich urządzeń w rozważanym zakresie mocy. O ile definicja klasy C jest stosunkowo jasna, to bliższego wyjaśnienia wymaga klasa D i tzw. „określony” kształt prądu. Przyjęto, że wszystkie urządzenia dla których 95% prądu pobieranego z sieci znajduje się w określonym normą obszarze należą do klasy D. Na rysunku przedstawiono zdefiniowany obszar ograniczający „określony” kształt prądu:

                                                

Analizując powyższy rysunek można bez trudu dojść do wniosku, że do klasy D zaliczać się będą wszystkie układy posiadające w obwodzie wejściowym prostownik z filtrem pojemnościowym. Taki właśnie prostownik jest praktycznie podstawowym obwodem wejściowym współczesnego zasilacza impulsowego, który znaleźć możemy w każdym komputerze, monitorze, drukarce, w każdym systemie automatyki przemysłowej lub w urządzeniach kontrolno-pomiarowych.

Nic więc dziwnego, że już po opublikowaniu pierwszego tekstu EN61000-3-2 najbardziej renomowani producenci zasilaczy wprowadzili do swojej oferty wyroby posiadające tzw. Elektroniczny Układ Korekcji Współczynnika Mocy, czyli aktywny filtr wejściowy korygujący kształt pobieranego z sieci prądu i sprowadzający go do sinusoidy zgodnej w fazie z napięciem zasilania. Oczywiście wprowadzenie tych dodatkowych układów wiąże się ze wzrostem ceny zasilacza oraz jego dodatkowym skomplikowaniem, ponieważ w praktyce w jednej obudowie należy umieścić dwa niezależne, impulsowe systemy przetwarzania. Wydawało się, że nowa norma EN61000-3-2 postawiła barierę dla wielu firm produkujących zasilacze nie mających możliwości szybkiego wdrożenia nowych układów, opracowania dokumentacji oraz przeprowadzenia niezbędnych badań. Z kolei użytkownicy systemów zasilających stanęli przed problemem stosunkowo niewielkiego na razie asortymentu zasilaczy spełniających nowe wymagania, a jednocześnie ich znacznie wyższej ceny. Wielu producentów korzystając z powstałej sytuacji wysunęło na pierwszy plan fakt posiadania przez ich wyroby Korekcji Współczynnika Mocy przedstawiając go jako podstawowy atut w akcji marketingowej.

Warto jednak zwrócić uwagę na fakt, że w dniu rozpoczęcia obowiązywania normy EN61000-3-2 (01.01.2001) opublikowana została poprawka A14 do w/w normy. Poprawka ta w sposób zasadniczy zmienia podejście przede wszystkim do kwalifikacji urządzeń, co do których wymaga się zgodności z klasą D. Otóż według poprawki A14 wymagania klasy D powinny spełniać jedynie ściśle określone urządzenia, a mianowicie: komputery osobiste, monitory do tych komputerów oraz odbiorniki telewizyjne i to niezależnie od kształtu prądu jaki pobierają z sieci! W ten sposób ogromna grupa urządzeń mogła zostać przekwalifikowana z klasy D do klasy A, dla której ograniczenia są zdecydowanie łagodniejsze. Z praktyki wiadomo, że typowe zasilacze impulsowe (z którymi w większości mamy do czynienia na rynku) o mocy wyjściowej nie przekraczających 200-240W spełniają z reguły bez problemów wymagania stawiane urządzeniom klasy A. Tak więc nie trzeba ich wyposażać w żadne dodatkowe filtry ani układy Korekcji Współczynnika Mocy. Przy nieco większych mocach (300W – 1000W) obniżenie zawartości harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci staje się już konieczne, ale nie musi to być prąd czysto sinusoidalny i praktycznie wystarcza tylko częściowe poprawienie jego kształtu, co w wielu wypadkach daje się zrealizować mniejszym kosztem, niż przy zastosowaniu pełnej Elektronicznej Korekcji Współczynnika Mocy. Często ten cel osiągany jest przez pewne modyfikacje transformatora w przetwornicy zasilacza bez konieczności dodawania drugiego stopnia przetwarzania impulsowego.

Poprawka A14 umożliwia również bardziej elastyczne podejście do określenia mocy pobieranej przez urządzenie. Otóż producent (lub użytkownik) może sam zadeklarować poziom mocy pobieranej w sposób ciągły przez urządzenie i poziom ten może być mniejszy od nominalnej mocy stosowanego zasilacza. Dla przykładu: komputer posiadający zasilacz o mocy znamionowej 150W pobiera z sieci w sposób ciągły moc 80W – producent może taki sprzęt zadeklarować jako nie podlegający wymogom EN61000-3-2 (limit 75W można powiększyć o dopuszczalną odchyłkę +10%). Oczywiście zadeklarowany pobór mocy powinien być potwierdzony wiarygodnymi badaniami i pomiarami lub musi w sposób niepodważalny wynikać z dokumentacji urządzenia.

Poprawka A14 do EN61000-3-2 pomija również problem obniżenia dolnego poziomu mocy dla urządzeń podlegających ograniczeniom normy do 50W. Tak więc wydaje się, że w najbliższej przyszłości nie nastąpią już istotne zmiany w podejściu do omawianych zagadnień.

Podsumowując przedstawione powyżej uwagi można wyciągnąć następujące wnioski:

dla urządzeń o deklarowanej mocy ciągłej pobieranej z sieci poniżej 75W (+10%) lub powyżej 1000W nie stosuje się wymagań EN61000-3-2

typowe zasilacze impulsowe stosowane w instalacjach przemysłowych powinny spełniać wymagania dla klasy A (najłagodniejsze)

typowe zasilacze impulsowe o mocy wyjściowej do około 200W spełniają wymagania EN61000-3-2 klasa A bez dodatkowych układów korekcyjnych i filtrujących

w zakresie mocy od 300W zasilacz impulsowy powinien być wyposażony w jakiś układ poprawiający kształt prądu pobieranego z sieci zasilającej. Może być zastosowany dodatkowy filtr sieciowy, który jednak jest bardzo duży i ciężki, można stosować modernizowane układy przetwornic z częściowo skorygowanym kształtem prądu (konstrukcje te nie są jeszcze rozpowszechnione) lub można skorzystać z zasilacza posiadającego układ Aktywnej Korekcji Współczynnika Mocy

przy łączeniu równoległym zasilaczy o mniejszej mocy może się okazać , że cały zestaw może nie spełniać wymagań klasy A wg EN61000-3-2. W takim wypadku należy rozważyć zastosowanie pojedynczego zasilacza z Korekcją Współczynnika Mocy

Jako przykład racjonalnego, z punktu widzenia kosztów produkcji i cen wyrobów, podejścia do nowych wymagań obowiązujących w Unii Europejskiej (w wielu innych krajach, np. w Stanach Zjednoczonych, ograniczenia te są bardzo łagodne) może służyć oferta zasilaczy  IMCON-INTEC, która w zakresie mocy do 240W oferuje niedrogie zasilacze impulsowe produkowane w tradycyjnej konfiguracji i spełniające wymogi klasy A  wg EN61000-3-2. Natomiast w zasilaczach większej mocy 300W i 450W standardowo wprowadzony został układ Aktywnej Korekcji Współczynnika Mocy (ang. PFCPower Factor Correction) zapewniający zgodność zasilaczy nie tylko z wymaganiami klasy A ale również i klasy D. Na szczególna uwagę zasługuje zasilacz SPS-300PFC  opracowany w oparciu o układ scalony nowej generacji, który jednocześnie zapewnia synchroniczne sterowanie modułem korekcji współczynnika mocy oraz właściwą przetwornicą impulsową. Zastosowanie nowoczesnych elementów umożliwiło uzyskanie bardzo korzystnej ceny przy dużej uniwersalności i niezawodności zasilacza, którą dodatkowo zwiększa redundancyjny system wymuszonego wewnętrznego chłodzenia. Zasilacz może być montowany do typowej szyny TS35 lub przykręcany do płyty montażowej w dowolnym położeniu.

Dr inż. Ryszard Siurek

 

LITERATURA

1. EN61000-3-2 - Power frequency emissions standard for AC mains harmonics (including A14 Amendment)

2. Korekcja Współczynnika Mocy - ELEKTRONIK Magazyn Elektroniki Profesjonalnej, grudzień 2001