PFC teknikens utbredning i hemelektronik

 PFC teknikens utbredning i
hemelektronik
Av Ola Jacobsson
Förord Rapporten är skriven på uppdrag av EMC on Site, ett projekt på Luleå Tekniska
Universitet i Skellefteå som forskar inom området elektromagnetisk kompatibilitet och
elektriska störningar på elnätet.
Syftet med rapporten är att beskriva tekniken effektfaktorkorrigering på ett enkelt
och lättförståeligt sätt samt att belysa användningen av denna teknik inom
hemelektroniken. Rapporten är också en fortsättning på mitt tidigare arbete om
elektroniken i effektfaktorkorrigerande kretsar.
Under arbetes gång har jag fått hjälp av ett antal personer jag vill tacka för allt stöd.
Martin Lundmark, som uppdragsvigare och eldsjäl vid EMC on Site.
Anders Larsson, för hjälp med litteratur vid EMC on Site.
Staffan Nilsson, examinator vid Luleå Tekniska Universitet.
I
Abstract Power factor correction is a technique to
improve the ratio between the imaginary and
the real power. This can be accomplished in
many different ways and can be divided into
passive and active power factor correction. But
the active power factor correction produces side
effects which can cause problems with the
power grid. This can, for example, interfere with
surveillance equipment and produce noise in
audio equipment. The research shows that
passive correction is quite common in home
electronics and that active correction is in
progress.
II
Sammanfattning Effektfaktorkorrigering är en teknik för att
förbättra förhållandet mellan den skenbara och
den verkliga effekten. Detta kan utföras på en
rad olika sätt och kan delas in i passiv och aktiv
effektfaktorkorrigering.
Men
den
aktiva
korrigeringen ger upphov till andra effekter som
kan orsaka problem på elnätet. Detta kan t.ex.
störa ut övervakningsfunktioner och ge brus i
audioutrustning. Undersökningen visar att passiv
korrigering
är
vanligt
förkommande
i
hemelektronik och att aktiv korrigering är på
frammarsch.
III
Innehåll FÖRORD ................................................................................................................................................ I
ABSTRACT ............................................................................................................................................ II
SAMMANFATTNING............................................................................................................................ III
FÖRKLARINGAR ................................................................................................................................... 1
ELLÄRA ................................................................................................................................................. 3
GRUNDENHETER ..........................................................................................................................................3
Ström ............................................................................................................................................... 3
Spänning ........................................................................................................................................ 3
Impedans ....................................................................................................................................... 3
Resistans ......................................................................................................................................... 3
Reaktans......................................................................................................................................... 4
Kapacitans ..................................................................................................................................... 4
Induktans ........................................................................................................................................ 4
FREKVENS ...................................................................................................................................................5
FASFÖRSKJUTNING ......................................................................................................................................5
EFFEKT ........................................................................................................................................................5
Skenbar effekt................................................................................................................................ 5
Aktiv effekt ..................................................................................................................................... 6
Reaktiv effekt ................................................................................................................................. 6
Effektfaktor ..................................................................................................................................... 6
PASSIVA ELEMENT ........................................................................................................................................7
Resistor ............................................................................................................................................ 7
Induktor........................................................................................................................................... 7
Kondensator................................................................................................................................... 7
Diod................................................................................................................................................. 8
EFFEKTIVVÄRDE ...........................................................................................................................................8
DISTORSION ......................................................................................................................................... 8
HARMONISKA ÖVERTONER ...........................................................................................................................8
HÖGFREKVENT DISTORSION ..........................................................................................................................9
Spänningsvariationer .................................................................................................................... 9
Problem med högfrekvent distorsion.......................................................................................... 9
KONTROLLTEKNIKER........................................................................................................................... 10
TRADITIONELLA NÄTAGGREGAT (UTAN PFC) .............................................................................................. 10
IV
PASSIV PFC ............................................................................................................................................ 11
LCD riktare.................................................................................................................................... 11
AKTIV PFC.............................................................................................................................................. 12
Boost ............................................................................................................................................. 13
Buck .............................................................................................................................................. 14
Buck-Boost.................................................................................................................................... 15
Kontinuerligt & diskontinuerligt mode ....................................................................................... 15
Fördelar med APFC..................................................................................................................... 16
STANDARDER ..................................................................................................................................... 16
FÖRVÄNTAD TILLVÄXT....................................................................................................................... 17
STUDERAD ELEKTRONIK...................................................................................................................... 18
FÖRETAGSUNDERSÖKNING ........................................................................................................................ 18
MÄTNINGAR HEMELEKTRONIK .................................................................................................................... 18
Beräkningar .................................................................................................................................. 19
LITTERATURSTUDIE...................................................................................................................................... 20
Kretsar för aktiv PFC .................................................................................................................... 20
LCD TV .......................................................................................................................................... 21
Vitvaror ......................................................................................................................................... 22
Lysrör med HF armatur................................................................................................................ 23
RESULTAT ............................................................................................................................................ 23
DISKUSSION ....................................................................................................................................... 24
MÄTMETOD ............................................................................................................................................. 24
VIDARE FORSKNING .................................................................................................................................. 24
SUMMERING ............................................................................................................................................ 25
LITTERATURFÖRTECKNING ................................................................................................................. 25
BILAGA 1.............................................................................................................................................. 1
V
Förklaringar Ström
Uppstår då laddade partiklar förflyttas. Definieras som laddning per tidsenhet och
anges med enheten Ampere (A).
Spänning
Anger skillnad i elektrisk potential som uppstår p.g.a. över- eller underskott av
elektroner och anges med enheten Volt (V).
Impedans
Det totala motståndet för en elektrisk krets. Impedansen som mäts i ohm (Z) är
frekvensberoende och påverkas både av resistansen och av reaktansen.
Resistans
Den strömbegränsande förmågan hos elektriska kretsar. Mäts i ohm och betecknas
med R och är inte frekvensberoende.
Reaktans
Innefattar det frekvensberoende motståndet
induktorer. Mäts i ohm och betecknas med X.
hos
både
kondensatorer
och
Kapacitans
Förmåga att lagra elektriska laddningar hos bl.a. kondensatorer. Mäts i farad och
betecknas med C.
Induktans
Förhållandet mellan det magnetiska flödet och strömstyrkan. Används till att ange
storleken på bl.a. induktorer. Mäts i henry och betecknas med H.
Frekvens
Anger antal svängningar per sekund för periodiska signaler. Mäts i Herts (Hz). Tiden för
en svängning blir ett genom frekvensen.
Fasförskjutning
Den vinkel som uppstår mellan ström och spänning om strömmen inte har sitt
nollvärde samtidigt som spänningen. Mäts i grader eller radianer.
Skenbar effekt
Används i samband med växelspänning för att beteckna den totala effekt en
apparat förbrukar.
Aktiv effekt
Den del av den skenbara effekten som producerar arbete, t.ex. värme hos en
radiator eller moment för en motor.
Reaktiv effekt
Den del av den skenbara effekten som inte producerar nyttigt arbete. Denna del
lagras i reaktiva element som t.ex. kondensatorer och pendlar fram och tillbaka inom
en sluten krets.
1
Effektfaktor
Förhållandet mellan aktiva och skenbara effekten.
Resistor
Vanligaste passiva komponenten för att erhålla en resistans i en elektrisk krets. En
resistans kan ha ett fast eller varierbart motstånd som är oberoende av frekvens.
Induktor
Passiv komponent som ofta består av koppartråd lindad rund en spole för att skapa
induktans. Används mestadels för att filtrera ut olika frekvenser.
Kondensator
Passiv komponents som lagrar elektrisk laddning. Kondensatorns kapacitans
bestämmer dess storlek och förmåga att lagra laddningar. Används bl.a. i filter och
likriktare.
Diod
Elektrisk komponent som bara leder ström i ena riktningen. Undantaget är s.k.
zenerdioder som släpper igenom backspänningar över ett visst värde.
Effektivvärde
Det värde på en likriktad ström eller spänning som ger lika mycket effekt som dess
sinusformade motsvarighet. Är endast användbart för växelspänningar.
Distorsion
Avvikelse från spänningens eller strömmens ideala sinusform.
PFC
Power Factor Correction, den svenska termen är EffektFaktorKorrigering. Teknik som
används för att förbättra förhållandet mellan aktiva och skenbara effekten.
Passiv PFC
Effektfaktorkorrigering utförd endast med passiva komponenter.
Aktiv PFC
Effektfaktorkorrigering utförd med aktiva komponenter, d.v.s. med integrerade
kretsar som styr utseendet på strömkurvan med hjälp av olika inbyggda algoritmer.
2
Ellära Grundenheter Ström Elektrisk ström (i dagligt tal även strömstyrka) uppstår då laddade partiklar förflyttas.
Ström definieras som laddning per tidsenhet (dq/dt). De rörliga laddade partiklarna
är vanligtvis elektroner men även joniserade partiklar kan utgöra rörliga
laddningsbärare (Wikipedia Elektrisk ström, 2007). I en elektrisk krets säger man av
historiska skäl att strömmen går från pluspol till minuspol även om elektronerna rör sig
i motsatt riktning.
SI-enheten för elektrisk ström är ampere med symbolen A. I elektriska formler används
symbolen I (ty. Intensität 'styrka', 'intensitet') för elektrisk ström.
Spänning Elektrisk spänning är en skillnad i elektrisk potential (möjlighet, resurser) mellan två
punkter. Här handlar det om överskott och underskott av elektroner (Wikipedia
Elektrisk spänning, 2007).
Om punkterna skulle komma i kontakt med varandra genom en elektrisk ledare som
till exempel en metalltråd eller resistor uppstår en elektrisk ström som strävar att
utjämna potentialskillnaden mellan punkterna.
Elektrisk spänning mäts i SI-enheten volt som förkortas V. Eftersom 1 V = 1 J/As, är
elektrisk spänning den energi som laddningen 1 As avger eller upptar när den rör sig
genom ett elektriskt fält. Enheten volt är ingen grundenhet i SI utan definieras som
den spänning som krävs över t ex en resistans för att strömstyrkan 1 A ska generera
effekten 1 W enligt effektformeln effekt = spänning • ström.
En storhet som anger den elektriska spänningen mellan två punkter brukar betecknas
U (av ty. Unterschied som betyder 'differens', 'skillnad').
Impedans Impedans är det elektriska motståndet för en växelström och mäts i SI-enheten ohm
(Ω). Impedansen består av två mot varandra vinkelräta komponenter, en resistans
och en reaktans (Wikipedia Impedans, 2007).
Det är vanligt att impedansen skrivs som ett komplext tal. Resistansen anges då av
det komplexa talets realdel och reaktansen anges av det komplexa talets
imaginärdel. Impedans förekommer i alla elektriska kretsar och komponenter.
Betecknas vanligtvis med bokstaven Z.
Resistans Resistans betecknar ett visst slag av strömbegränsande förmåga hos en elektrisk krets
(Wikipedia Resistans, 2007). Ju högre resistansvärde kretsen har, desto högre
3
spänning krävs för att driva en ström av en viss styrka genom kretsen. Resistans mäts
vanligtvis i ohm.
Vid likström kan man beräkna strömstyrkan i en ledare genom att dividera
spänningen över ledaren med dess resistansvärde i enlighet med Ohms lag.
I kopplingsscheman och beräkningsuttryck betecknas resistansen vanligtvis med R.
Reaktans Reaktans betecknar ett slag av frekvensberoende elektriskt motstånd. Reaktansen
hos en krets uppvisar endera induktiv eller kapacitiv karaktär och orsakar en
fasvridning mellan -90° och +90°.
Reaktansen
tillsammans
med
resistansen
bestämmer
det
totala
växelströmsmotståndet, impedansen, för en elektrisk krets. Reaktans förekommer där
elektriska eller magnetiska fält utvecklas proportionellt mot ström eller spänning
(Wikipedia Reaktans, 2007).
Kondensatorer och induktorer är komponenter tillverkade för att åstadkomma
reaktans.
När en växelström passerar genom en reaktiv krets kommer spänningen att
fasförskjutas relativt strömmen. Reaktans symboliseras med bokstaven X och mäts i
enheten ohm (Ω).
Kapacitans Kapacitans är ett mått på förmågan att lagra elektriska laddningar hos kretsar vilka
vanligtvis är linjära med avseende på förhållandet mellan den lagrade
laddningsmängden och den spänning som ligger över kretsen (Wikipedia
Kapacitans, 2007). Kapacitans är definierad som förhållandet mellan den elektriska
laddningsmängden Q och den elektriska potentialen V (spänningen över kretsen):
SI-enheten för kapacitans är farad; 1 farad (C)= 1 coulumb per volt.
En rent kapacitiv krets ger en negativ fasförskjutning där strömmen är 90 grader före
spänningen.
Induktans En elektrisk ström som flyter genom en krets orsakar ett magnetiskt fält och därmed
ett magnetiskt flöde genom kretsen. Förhållandet mellan det magnetiska flödet och
strömstyrkan kallas induktans eller mera korrekt kretsens självinduktans (Wikipedia
Induktans, 2007). Vanligtvis används symbolen L för induktans. SI-enheterna för
induktans är Weber per Ampere och enheten för induktans är henry (H): 1H = 1Wb/A.
Om strömmen genom en induktiv krets varierar kommer en spänning att uppstå över
den induktiva komponenten som är proportionell mot den magnetiska
flödesändringen per tidsenhet.
4
Där minustecknet beror på att induktansen motverkar ändringen av strömmen.
En induktans orsakar en fasskillnad mellan spänning och ström. Denna fasvridning är
positiv för en induktiv krets, det vill säga, fasmässigt kommer spänningen att ligga
före strömmen. En passiv, rent induktiv krets (som inte innehåller transistorer, strömoch spänningsgeneratorer etc.) ger en fasvridning av 90 grader för en sinusformad
ström/spänning.
Frekvens Frekvens är ett mått på antalet av en repeterande händelse inom en given tid. För
att beräkna frekvensen fixerar man ett tidsintervall, räknar antalet förekomster av
händelsen och dividerar detta antal med längden av tidsintervallet (Wikipedia
Frekvens, 2007). Resultatet ges i enheten hertz (Hz), där 1 Hz är en händelse som
inträffar en gång per sekund. Alternativt kan man mäta tiden mellan två förekomster
av händelsen (perioden) och därefter beräkna frekvensen som ett genom den
uppmätta periodtiden.
frekvens = 1/periodtid
Fasförskjutning Fasförskjutning innebär att funktionsvärdena hos periodiska förlopp inte sammanfaller
utan är förskjutna i tiden. En växelströms (AC) spänning och strömstyrka är till
exempel fasförskjutna om de inte antar sina maximivärden samtidigt (Wikipedia
Fasförskutning, 2007). Fasförskjutningen kan visas med diagram och anges i
vinkelmått, där en hel svängning är ett varv, alltså 360 grader.
Effekt I elektroteknik är den momentana effektutvecklingen av en elektrisk komponent
produkten av spänningen över komponenten och elektrisk ström genom
komponenten (Wikipedia Effekt, 2007). För likformig (DC) ström och spänning gäller.
Där I är momentan- eller medelström i ampere, U är momentan- eller medelspänning
i volt och R är resistansen i ohm.
Skenbar effekt Skenbar effekt uppkommer i samband med växelspänning, då det är otillräckligt att
beskriva effekten som produkten av spänning och ström. I växelspänningssystem
skiljer man därför på skenbar, aktiv och reaktiv effekt (Wikipedia Skenbar effekt,
2007). Skenbar effekt är en sammanställning av dessa båda slag av effekt och ger
ett mått på den faktiska effekt som en produkt tål eller drar från elnätet.
5
Aktiv effekt Aktiv effekt är den effekt som blir nyttigt arbete då en maskin kopplas till elnätet. Det
är den vi märker av i maskiner och yttrar sig som värme i ett element eller moment i
en elmotor (Wikipedia Aktiv effekt, 2007).
Reaktiv effekt Reaktiv effekt uppstår i växelspänningssystem. Den utgör den del av den skenbara
effekten som inte ger upphov till nyttigt arbete; den förbrukas inte i
växelspänningskretsen (Wikipedia Reaktiv effekt, 2007). Den reaktiva effekten är ett
mått på fasförskjutningen mellan strömmen och spänningen över kretsen. Den
reaktiva effekten utgör ett mått på den momentana effekt som åtgår på grund av
energilagrande komponenter av kapacitiv eller induktiv karaktär.
Reaktiva komponenter förbrukar ingen energi över en längre tid, men har en
momentan energiförbrukning som skiljer sig från noll. Detta beror på att de
varierande spänningar och strömmar som utgör ett växelspänningssystem ger
upphov till energilagring och energiurladdning i kretsen.
Effektfaktor Effektfaktorn (Power Faktor, PF) definieras som förhållandet mellan aktiva effekten P
och den skenbara effekten S (Larsson, 2006, s. 13).
I enfassystem med låg harmonisk distorsion kan den aktiva och den skenbara
effekten beräknas från följande ekvation.
Där V och I är effektivvärdet (RMS) av spänningen och strömmen och θ är vinkeln
mellan spänningen och strömmen. Effektfaktorn beskriver då vinkeln mellan
spänningen och strömmen.
När det finns en vinkel mellan spänningen och strömmen kommer effektfaktorn att
minska och bli mindre än ett. Detta är inte önskvärt p.g.a. ökande förluster i
transmissionsledningar för att de kommer att behöva överföra mer ström än
nödvändigt för att föra över samma mängd energi.
6
Passiva element Resistor Resistor, även kallad motstånd, är den vanligast förekommande komponenten i
elektriska kretsar. Konstruktionen består av en oftast isolerad kropp med anslutningar,
där innehållet är ett motståndselement, tillverkat av ett material med känd resistivitet
(ρ), i form av en stav, ett rör, folie, ytskikt eller tråd med viss längd (l) och area (A)
(Wikipedia Resistor, 2007). Enheten för resistans är ohm (Ω).
Motstånd som är oberoende av ström, spänning och yttre faktorer, till exempel
temperatur eller ljus, kallas för "linjära motstånd" eller bara "motstånd". Om resistansen
varierar med ström, spänning eller yttre faktorer benämns komponenten för "olinjärt
motstånd", eller med ett namn som anger vad motståndet är beroende av.
Induktor Spole är ett samlingsnamn på cylindrar som man virar tråd runt. Ofta avses en passiv
elektrisk komponent, eller så kallad induktiv komponent (induktor), som används i
apparater för att filtrera eller välja ut signaler av bestämd frekvens.
Ett alternativt synsätt är att betrakta induktiva komponenter som ström- och
spänningsdämpare. När strömmen genom spolen förändras alstras en motriktad
spänning, s.k. elektromotorisk kraft (emk).
Spolar gör olika motstånd beroende på strömmens frekvens, så de har s.k. reaktans
(Wikipedia spole, 2007). I en spole varierar reaktansen åt andra hållet: strömmen
bromsas upp ju högre frekvens den har. Detta gäller dock bara växelström, likström
släpps igenom spolen utan att bromsas alls. Storleken på induktorn mäts i Henry.
Kondensator En kondensator är en elektronikkomponent med förmåga att lagra en viss
elektricitetsmängd. Den består av två ledande plattor med ett isolerande material
emellan. Mellan dessa plattor samlas under uppladdningen elektroner. Hur många
elektroner som samlas per volt anger kondensatorns storlek vilket benämns som
kapacitansen C mätt i enheten Farad (Wikipedia kondensator, 2007).
Elektricitetsmängden, det vill säga den laddningsmängd Q som kan lagras i
kondensatorn, är proportionell mot den pålagda spänningen U över kondensatorn
enligt sambandet
Medan kondensatorn laddas upp flyter en förskjutningsström genom kretsen. När
kondensatorn kortsluts urladdas den med en hastighet som i huvudsak begränsas av
kretsens resistivitet. Kondensatorn kan laddas upp under en viss tid, och kan i sedan
verka som en spänningskälla med hög effekt.
7
Diod Dioden är en icke-linjär elektrisk komponent som leder elektrisk ström i endast en
riktning (ideellt räknat). Namnet kommer av att den har två (di) elektroder, katod
och anod. Ström kan bara gå från anod (pluspol) till katod (minuspol) - men inte
tvärtom. En vanlig tillämpning av dioder är likriktning av växelström.
Den vanligaste dioden är gjord av kisel, och börjar leda framåt när spänningen
överstiger ungefär 0,65 volt. Om dioden backspänns, det vill säga att katoden
påläggs högre potential än anoden, så leds en mycket liten ström genom dioden (så
kallad läckström) (Wikipedia Diod, 2007). Typiskt värde på denna kan vara ett fåtal
μA för vanliga kiseldioder. Om backspänningen görs tillräckligt hög sker ett s.k.
genombrott, och dioden börjar leda ström bra, men skadas om strömmen inte
kraftigt begränsas. Dock finns en speciell typ av dioder, s.k. zenerdioder, som
tillverkas för att klara av just denna situation och leda ström bakåt under
kontrollerade förhållanden. Typiskt för zenerdioden är att den när den väl börjar leda
bakåt, vilket sker vid den så kallade zenerspänningen, har låg resistans.
Effektivvärde En växelspännings eller växelströms effektivvärde, även kallat RMS (Root Mean
Square), är värdet av den likspänning/likström som utvecklar lika mycket effekt i en
specifik krets som växelstorheten ifråga utvecklar (Wikipedia effektivvärde, 2007).
Effektivvärdet är endast meningsfullt att använda för kretsar vars egenskaper med
avseende på effektutveckling kan anses vara konstanta under längre tidsperioder.
När en växelstorhets värde anges, till exempel 230 V för nätspänningar, är det oftast
effektivvärdet som avses. Toppvärdet för spänningen på elnätet är 400V.
Distorsion I Sverige har spänningen en grundton eller en fundamental frekvens på 50 Hertz (Hz)
och om lasten är rent resistiv får strömmen en kurvform som liknar spänningens form
och har samma frekvens på 50 Hz. Om strömmens kurvform avviker från spänningens
kurvform kallas det att strömmen har distorsion. Distorsion kan i huvudsak delas in i två
olika grupper, harmoniska övertoner och högfrekvent distorsion.
Harmoniska övertoner Harmoniska övertoner är i princip diskreta multiplar på grundtonen och kan vara av
frekvenser både högre och lägre än den fundamentala frekvensen.
För en fundamental frekvens på 50 Hz är den andra harmoniska övertonen på 100 Hz
och den tredje på 150 Hz och så vidare (Larsson, 2006, s. 10). Dessa frekvenser är
oftast kontinuerliga över en lång tid. De flesta standarder täcker frekvenser på 40
eller 50 gånger grundtonens frekvens d.v.s. en frekvens på upptill 2000 till 3000 Hz. En
vanlig källa för harmoniska övertoner är oreglerade nätaggregat och likriktare för
olika utrustningar t.ex. likströmsmotorer.
8
För att beräkna effektfaktorn när övertoner ingår i strömmen går följande
approximativa formel att använda, då gäller inte längre sambandet att PF = cos θ.
Denna approximation kan göras om spänningens totala harmoniska distorsion är
mindre än 5 % och strömmens harmoniska distorsion är mer än 40 % (Larsson, 2006, s.
13). I1 är RMS värdet på den fundamentala strömmen och I är RMS värdet på den
totala strömmen. Detta betyder att om den fundamentala strömmen och
spänningen har samma fasvinkel, så kan effektfaktorn vara mindre än ett på grund
av de harmoniska övertonerna.
Högfrekvent distorsion Med högfrekvent distorsion menas i det här fallet ett kontinuerligt spektra av
övertoner med frekvenser på 2000 Hz upp till 1 MHz d.v.s. ett frekvensområde som
ligger över den harmoniska distorsionen (Larsson, 2006, s. 14). Denna distorsion är
alltså inte bara jämna multiplar av grundtonen utan kan förekomma vid alla
frekvenser inom det angivna spektrumet. Den vanligaste utrustningen som
producerar denna distorsion är apparater vilka använder s.k. switchteknik i
nätaggregat och spänningsomvandlare. Till denna utrustning hör bl.a. nätaggregat
till datorer och HF-armaturer till lysrör.
För att förbättra effektfaktorn och minska de harmoniska övertonerna används en
teknik kallad effektfaktorkorrigering (PFC). PFC kan delas in i aktiv och passiv PFC där
den passiva PFC tekniken är relativt skonsam mot elnätet medan den aktiva PFC
tekniken producerar högfrekvent distorsion.
Spänningsvariationer I elnät ingår alltid en viss resistans och induktans som tillsammans ger en impedans.
Om elnätet vore idealt utan impedans skulle variationen i strömmen inte spela
någon roll för spänningen. Eftersom ström och spänning följs åt enligt ett beroende
på denna impedans kommer spänningen att variera i takt med att strömmen
varierar. Impedansen har ett frekvensberoende och är alltså inte lika för alla
frekvenser. Den kan vara högre för vissa frekvenser och lägre för andra frekvenser.
Om impedansen är hög för just det producerade frekvensspektra kommer
spänningen att påverkas relativt mycket p.g.a. strömvariationerna. Denna fluktuation
i spänningen fortplantar sig genom ledningarna och sträcker sig olika långt
beroende på elnätets uppbyggnad.
Problem med högfrekvent distorsion Höga frekvenskomponenter kan leda till försämrad prestanda på elektroniska
komponenter, till hörbart brus via telekommunikation och audioutrustning och till för
snabbt åldrande för t.ex. fluorescerande lampor (Larsson, 2006, ss. 11,12).
9
Kommunikation via elnätet sker på dedicerade frekvensband vilka startar på 3kHz
och upp till några hundra kilohertz. Det är på samma frekvensband switchningen
sker för stora delar av utrustningen med effektfaktorkorrigering.
Ju desto högre frekvensen blir, desto mer sannolikt blir det att hitta resonanser på
elnätet samtidigt som det blir mer sannolikt att signalen börjar stråla och därmed
förorsaka induktiva strömmar i annan utrustning. Det pågår också en diskussion om
denna strålning kan ha någon effekt på människors hälsa men det finns f.n. ingen
konsensus inom området.
Distorsionen kan i vissa fall förhindra införandet av ny teknik, t.ex. medicinsk teknik
eller teknik som har med annan säkerhet att göra. Sådan utrustning kan vara känslig
för högfrekventa störningar. Om denna distorsion finns i t.ex. lampor och
vindkraftverk kan den förhindra införandet av miljövänlig teknik.
De harmoniska övertonerna kan förorsaka strömmar i nolledaren, s.k. ”zero-sequence
current”. Speciellt multiplar av den tredje övertonen börjar samverka med varandra
och kan leda till problem med överhettning i elektronik.
Kontrolltekniker Traditionella nätaggregat (utan PFC) Traditionella nätaggregat består i stort sett av en transformator, en likriktarbrygga
samt en kondensator.
Fig. 1 Traditionellt nätaggregat.
Fig. 2 Övre kurvan visar spänningen och den nedre
visar strömmen på elnätet.
Figur 1 till vänster illustrerar ett sådant aggregat. Nätspänningen kopplas in i vänstra
delen, likriktas av dioderna för att sedan glättas av kondensatorn. Kondensatorns
uppgift är att lagra energi mellan vågdalarna för att behålla en jämn spänning till
lasten. Denna glättning gör att strömmen till kondensatorn bara dras från elnätet på
toppen av spänningskurvan och ger då upphov till strömmen i den undre kurvan i
figur 2. Strömmens vågform genererar ett stort spektrum av harmoniska övertoner
men endast ett litet spektrum högfrekvent distorsion.
10
Passiv PFC I dess enklaste form består vanligtvis passiv PFC av att ansluta en kapacitans till en
induktiv krets eller av det omvända, att ansluta en induktans till en kapacitiv last, för
att minska fasvinkeln mellan spänningen och strömmen. Denna typ av PFC ändrar
endast fasvinkeln och kan inte användas för att förbättra låg effektfaktor vilken
uppkommer på grund av harmoniska övertoner (Larsson, 2006, s. 13).
Fig. 3 Schematisk bild över passiv PFC.
Fig. 4 Den sinusformade kurvan visar
spänningen och den deformerade kurvan
visar strömmen.
För att förbättra låg effektfaktor uppkommen på grund av harmoniska övertoner kan
passiva element läggas till i kretsen. Det finns ett antal olika metoder för att minska
övertonerna på strömmen till belastningen men dessa konstruktioner kan vara stora
och tunga, beroende på hur mycket effekt belastningen drar. Figur 3 visar en passiv
PFC bestående av två induktanser och två kapacitanser. Resultatet blir ett
bandpassfilter som släpper igenom frekvenser enligt figur 4. Effektfaktorn kan bli så
hög som 0.8 och mot 0.9 beroende på viken filtertyp som används. I det här fallet
visas ett fjärde ordningens filter men även lägre och högre ordningar av filter är
möjliga att tillverka. Ordningen på ett filter anger hur många reaktiva komponenter
detta innehåller. Strömkurvan liknar spänningens kurvform men p.g.a. de induktiva
elementen sker en viss eftersläpning i förhållande till spänningen. Detta gör att
effektfaktorn inte kommer upp till ett. Övertonshalten för denna konstruktion blir lägre
än för konstruktioner utan PFC och denna typ generar inte heller högfrekvent
distorsion.
LCD riktare En likriktare med en extra induktans, kapacitans samt en diod visas i figuren nedan.
Iden med kretsen är att ändra IEC klassificering från klass D till klass A (Grigore).
Kretsen ändrar strömmens form och ger endast en begränsad minskning av den
harmoniska distorsionen men det blir ändå möjligt att byta klass från D till klass A.
11
Fig. 5 LCD likriktare.
Fig. 6 Spänning och ström för LCD likriktare.
Induktansen vill motverka strömförändringen när likriktarens spänning överstiger
spänningen på C1. Då sjunker strömmen för ett kort ögonblick. När induktorn är
laddad börjar strömmen att öka igen. När spänningen över likriktaren sedan sjunker
till en nivå under C1 driver induktansen på strömmen till dess att den är urladdad till
Ct.
Aktiv PFC Idén med aktiv APFC (APFC) är att få strömmen som dras från nätet att få en
sinusliknande form. Detta kan göras på flera olika sätt. Det vanligaste är att använda
s.k. Buck, Boost eller Buck-Boost omvandlare, vilka förklaras senare i texten. Det går
att mäta spänningens vågform och forma strömuttaget efter detta. Detta görs i
båda teknikerna genom att dela upp strömuttaget i små delar för att på så sätt
efterlikna spänningens vågform.
En schematisk bild av hur en sådan konstruktion fungerar visas nedan i figur 7. En
idealisk form på strömmen visas i figur 8.
Fig. 7 Schematisk bild över aktiv PFC.
Fig. 8 Ström och spänning för ideal PFC.
Kopplingen består av en likriktare, en induktans samt en drivkrets, i bilden kallad PFC
Drive. Dioden är till för att föra energin i nätet åt rätt håll under hela perioden och
kondensatorn finns för att lagra energi och ge en jämn spänning till lasten. Principen
går ut på att drivkretsen mäter spänningen efter likriktaren och reglerar strömmen
efter denna genom att slå bytaren av och på i ett mycket snabbt förlopp. Det är
detta förlopp som orsakar den högfrekventa distorsionen och ligger ofta på mellan
150-300 kHz. Eftersom en induktans har en inbyggd
12
tröghet mot förändringar av strömmen utnyttjas detta till regleringen. Med brytaren i
läge till ökar strömmen genom induktansen nästan helt linjärt upp till en nivå som
bestäms av spänningen i ett visst ögonblick. Utan denna induktans skulle nätet
kortslutas och inte fungera alls. När brytaren slås i läge av fortsätter denna ström att
flyta men då genom dioden fram till kondensatorn och lasten. Strömmen sjunker
samtidigt nästan linjärt ned till noll p.g.a. att det inte finns någon spänning mellan
dess poler. Kontrollkretsen mäter kontinuerligt strömmen genom spolen och känner
av när det är dags att slå till brytaren igen.
I figur 9 visas ett typiskt exempel på ett verkligt strömuttag från en PFC krets. Formen
på kurvan är nästan helt sinusformad med undantag från svaga störningar på båda
sidor av periodens mitt. Dessa störningar Fig. 9 Typisk strömkurva för APFC.
uppkommer från kontrollkretsens styrelektronik och kan bl.a. härledas till
nollgenomgångar för dioder (Jacobsson, 1992).
Nollgenomgång är den korta tidsperiod dioder inte leder någon ström. För att en
diod ska börja leda krävs en spänning på ca 0.6-0.7 Volt mellan dess poler, anod och
katod, och eftersom spänningen inte ökar momentant utan efter en sinusform
kommer det alltså att dröja en kort tidsperiod innan spänningsskillnaden mellan
polerna överstiger tröskelvärdet på 0.7 V. Denna korta störning innehåller allstå
frekvenser som ger högfrekvent distorsion.
Kuspdistorsion uppträder just efter att AC spänningen på ingången passerar noll volt
(TI Application Note U-134). Vid den här punkten räcker strömmen som krävs för att
ladda kretsen med energi inte till. Den verkliga strömmen följer inte den ideala
kurvformen för ett kort ögonblick och kontrollkretsen fungerar inte som förutbestämt.
Tiden som strömmen inte följer den ideala formen bestäms av storleken på
induktansen. Lägre induktans leder till mindre kuspdistorsion. Denna distorsion är
förhållandevis liten och består för det mesta av högre ordningens övertoner.
Regulatorer kan arbeta i något som kallas för diskontinuerligt mode och detta
tillsammans med kuspdistorsion är andra anledningar till orenheter i strömuttaget från
elnätet.
Boost En Boost-omvandlare (step up) är en effektomvandlare med en utspänning större än
inspänningen. Den här typen av SMPS (Switching Mode Power Supply) innehåller
minst två halvledare, en diod och en transistor, och minst ett lagringselement
(Wikipedia Boost). Det ansluts ofta induktiva och kapacitiva filter på utgången för
att förbättra prestandan.
Den grundläggande principen för en Boost omvandlare består av två distinkta
tillstånd.
•
I när brytaren S är stängd ökar strömmen i induktansen.
13
•
I när brytaren S är öppen är enda vägen för strömmen att gå genom dioden,
kapacitansen och genom lasten. Detta läge för över energin lagrad under
den tid brytaren är stängd från induktansen till kapacitansen.
Fig. 10 Schematisk bild på Boost omvandlare.
En Boost-omvandlare arbetar i kontinuerligt läge om strömmen genom induktansen
aldrig går ner till noll när brytaren S är öppen.
Buck En Buck-omvandlare (step down) är en s.k. DC till DC omvandlare (Wikipedia Buck).
Designen är liknande Boost omvandlaren och precis som denna använder den en
diod, en transistor, en induktans och en kapacitans.
Det enklaste sättet att reducera likspänning är att använda sig av en
spänningsdelare, men spänningsdelare förlorar energi eftersom de omvandlar den
överfödiga spänningen till värme, dessutom blir utspänningen inte reglerad på något
sätt. En Buck-omvandlare är däremot mycket effektiv, verkningsgraden kan vara
upp till 95 %, och samtidigt reglera utspänningen, vilket t.ex. gör den användbar för
att konvertera batterispänningar på 12 eller 24 Volt i en laptop ned till olika
spänningar som behövs till processorn.
Den växlar mellan att ansluta induktansen till spänningskällan för att lagra energi och
att ladda ur induktansen genom lasten.
Fig. 11 Schematisk bild på Buck omvandlare.
14
En Buck-omvandlare arbetar i kontinuerligt läge om strömmen genom induktansen
aldrig går ner till noll i läget när bytaren S är öppen.
Buck‐Boost En Buck-Boost-omvandlare är en DC-DC omvandlare som har en utgångsspänning
som är antingen större eller mindre än ingångsspänningen (Wikipedia Buck boost).
Det är en SMPS med en konstruktion liknande Buck och Boost omvandlarna.
Spänningen på utgången är justerbar med hjälp av till och frånslagstiderna på
brytaren mellan spänningskällan och induktansen. En nackdel med den här
omvandlaren är att brytaren inte har någon koppling till jord, detta gör drivkretsen
mer komplicerad. Dessutom har utgångsspänningen motsatta polaritet mot
ingångsspänningen.
Fig. 12 Schematisk bild på Buck Boost omvandlare.
Den grundläggande principen är ganska enkel.
•
•
När brytaren är på är spänningskällan direkt kopplad till induktansen. Detta
lagrar energi. I detta läge är det kapacitansen som levererar energi till lasten.
När brytaren är av är induktansen kopplad till lasten och kapacitansen.
Därmed förs energi över från L till C och R.
Jämfört med Buck och Boost omvandlare har Buck-Boost omvandlare dessa
egenskaper.
•
•
Polariteten på utgångsspänningen är omvänd mot spänningen på ingången.
Utgångsspänningen kan varia kontinuerligt mellan noll och minus
oändligheten (för en ideal omvandlare). För Buck och Boost omvandlare är
utgångsspänningen 0 till Vi samt Vi till oändligheten.
De här tre typerna av omvandlare kan arbeta i något som kallas för kontinuerligt
eller diskontinuerligt mode.
Kontinuerligt & diskontinuerligt mode Skillnaden mellan kontinuerligt och diskontinuerligt mode är för alla tre typer av
omvandlare att i kontinuerligt mode går strömmen i induktansen aldrig ned till noll
vilket den gör i diskontinuerligt mode.
15
Fig. 13 Kontinuerligt mode på strömmen.
Fig. 14 Diskontinuerligt mode på strömmen.
I figur 13 ses hur strömmen flyter i kontinuerligt mode och går aldrig ned till noll.
Denna styrs av till- och frånslagstiderna hos brytaren S. Figur 14 illustrerar
diskontinuerligt mode. Det uppstår där en liten tidslucka mellan upp och urladdning
där det inte flyter någon ström i induktansen. Vilken mode kretsen arbetar i beror
också på vilken last som är ansluten. Om belastningen är tillräckligt låg kommer
kretsen alltid att arbeta i kontinuerligt mode och gradvis skifta över till diskontinuerligt
mode.
Fördelar med APFC En sinusformad ström ger den bästa effektiviteten för överföring av energi via elnätet.
För samma överförda energi kräver en icke sinusformad våg större kapacitet på
elnätet än en helt sinusformad våg. Detta medför i sin tur att elnätet måste
dimensioneras kraftigare och elpriset blir därmed dyrare för kunden.
Icke sinusformad ström leder till icke sinusformad spänning. Viss typ av utrustning,
speciellt elektriska motorer, kommer kanske inte att fungera korrekt eller kommer till
och med att bli skadade när spänningens vågform avviker för mycket från en
sinusformad sådan.
Icke sinusformad ström förorsakar högre förluster än en sinusformad ström för samma
överförda energi. Detta kan föra med sig överhettning av komponenter i
kraftsystemet, speciellt transformatorer för distribution i elnätet.
En indirekt effekt med icke sinusformad ström är att det kan ge lågfrekventa
magnetiska fält i bl.a. kontorsmiljöer om elsystemen är konstruerade med noll- och
jordledare.
Standarder De nämnda negativa effekterna av distorsionen har skapat ett behov av att
begränsa de harmoniska övertonerna för elektronik ansluten till elnätet. Standard IEC
61000-3-2 gäller för utrustning med en angiven ström på upp till och med 16 A per fas
vilken är tänkt att anslutas till 50 eller 60 Hz och 220-240 V per fas. Elektrisk utrustning
delas in i fyra grupper (A, B, C eller D) för vilka det är satt begränsningar i strömmens
16
harmoniska övertonshalt (EPSMA). Klasserna är uppdelade med avseende på
utrustningens effektuttag. I klass A ingår trefasutrustning, i klass B ingår bärbar
utrustning och svetsutrustning som inte är professionell. I klass C ingår ljusutrustning
och klass D innehåller datorer, TV-apparater och annan utrustning med en
förbrukning på mindre än 600 W. Standarden har skrivits om flera gånger och en
andra utgåva publicerades år 2000 med ett tillägg 2001. Standard IEC 61000-3-4 ger
rekommendationer för utrustning med strömstyrka på mer än 16 A per fas.
Produkter som täcks av IEC 61000-3-2, men inte nödvändigtvis kräver PFC är:
•
•
•
•
•
•
•
Hushållsapparater och bärbara verktyg: t.ex. dammsugare, tvättmaskiner,
spisar.
Ljusutrustning
Bild och ljud utrustning
UPS
Alarm
Industriell, vetenskaplig och medicinsk utrustning
Radio och telekommunikation
Det finns dock inga begränsningar i övertonshalten för:
•
•
•
•
Utrustning med lägre effektförbrukning än 75 W
Professionell utrustning med mer än 1 kW effektförbrukning
Värmeelement med en effekt på under 200 W
Dimutrustning för glödlampor
Förväntad tillväxt Förväntad tillväxt fram till 2011 för apparatur med aktiv PFC inbyggd. Av tabellen går
att avläsa att det bör ske en årlig tillväxt på ca 10 procent för världsmarknaden
(Research and marktes). Sverige kan antas ligga något över detta snitt då vi är en
teknikintensiv marknad.
Inbyggda
nätaggregat
Batteriladdare
Adapter
Motorstyrningar
Ljuslaster
Total
2006
2007
2008
2009
2010
2011
663.4
725.9
790.1
862.2
942.8
1025.4
Årlig
tillväxt
9.1%
1.5
184.8
221.7
1013.8
2085.2
1.7
211.2
238.9
1131.3
2308.0
1.8
239.3
257.5
1257.3
2546.0
2.0
267.7
278.0
1396.7
2806.6
2.2
297.2
300.1
1553.8
3096.1
2.5
337.5
324.2
1731.1
3420.7
10.8%
12.8%
7.9%
11.3%
10.4%
Tabell 1. Världsmarknad för nätaggregat per produkt. (Millioner enheter)
17
Studerad elektronik Företagsundersökning För att undersöka förekomsten av aktiv PFC kretsar i modern hemelektronik har det
genomförts en undersökning bestående av några enkla frågor till svenska företag
inom elektronikbranschen. Dessa företag bestod bl.a. av leverantörer som Elektrolux
och Philips samt av några firmor som reparerar sådan elektronik. Det visade sig att
alla intervjuade i undersökningen hade låg eller ingen förståelse för vad denna typ
av elektronik innebär eller om den ens förkommer i någon av deras respektive
produkter. Anledningen antas vara att de stora elektroniktillverkarna som t.ex. Philips
inte konstruerar någon elektronik inom Sverige och därför inte behöver utbilda
personal inom området.
Utvecklingen inom hemelektronik har lett till modulbaserad tillverkning och vid
reparation av produkterna byter reparatörerna endast nya kort i de trasiga
enheterna. Detta får till följd att reparatörer av elektronik inte heller behöver denna
speciella kunskap inom området, det räcker med att de kan konstatera vilken det
trasiga kortet är och byta denna till en fungerande enhet.
En av firmorna i undersökningen påstod dock att denna typ av elektronik med PFC
finns i nästan alla nysålda produkter, som t.ex. ljud- och bildutrustning. Efter en enkel
kontroll av studentens egen elektronikutrustning framkom dock att det måste vara
passiv PFC reparatören syftade på och inte aktiv PFC som undersökningen
egentligen syftade till.
Mätningar hemelektronik Mätningarna är gjorda med ett Velleman PPS10 oscilloskop samt en Pearson 411
strömomvandlare. Oscilloskopet har 2MHz bandbredd och 10M sampels per sekund,
är handhållet med serieinterface för datorkommunikation. Strömomvandlaren ger
0.1 V per Ampere och har 20 MHz bandbredd. Denna utrustning ger tillräckligt bra
noggrannhet för att på kurvformen avgöra vilken typ av korrigering den uppmäta
utrustningen innehåller.
Den undersökta utrustningen är
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dator
Kompaktlysrör
TFT Bildskärm
DVD
Keyboard
AVR Receiver
LCD TV
Bildrörs TV
Diodlampa
Energisparlampa
18
Bilder på mätningarna återfinns i bilaga 1.
En helt sinusformad kurva tyder på att utrustningen använder växelström. Om kurvan
är sinusliknande med ojämnheter antyder det att utrustningen innehåller aktiv PFC.
En kurva som inte är sinusformad indikerar troligen passiv PFC eller ingen
kompensation alls. Om den vänstra, positiva, flanken lutar något mer än den
negativa samt har en mjuk övergång till den branta delen innehåller apparaten
troligen passiv PFC. En brant, näst intill vertikal, positiv flank följt av en något mindre
sluttande negativ flank indikerar antagligen att apparaturen är utan PFC. Denna
metod kan inte garantera att konstruktionen kan detekteras men ger en sannolik
indikation på kretsvalet.
Beräkningar För att beräkna strömmen användes kompaktlysrör som referens. Eftersom en del
elektronik drar mycket lite ström måste mätledningen lindas flera varv runt kärnan för
att ge tillräckligt stor signal för att kunna avläsas på oscilloskopet. Det går inte att
multiplicera känsligheten för kärnan med antalet varv som lindas p.g.a. av förluster i
magnetfältet och andra yttre störningar. Lysrörslampan drar en nästan ideal sinusvåg
och detta utnyttjas till att beräkna en faktor vilken går att multiplicera med de övriga
graferna för att ge en approximativ ström.
Mätningen av kompaktlysrörets ström är gjort med en ST-5325 Multimeter. Denna gav
120mA vid strömmätning på kompaktlysröret. Mätningen med oscilloskop är gjord
med 20 mV per ruta och eftersom det i figuren är ca 6 st. rutor kurvan spänner över
ger detta en total spänning på ca 120 mV.
För att kontrollera mätningen av strömmen med multimetern kan effekten enkelt
beräknas. Med multimeter blir effekten P = U*I om effektivvärde används.
Effektivvärdet av spänningen är ca 230 V. och multimetern mäter effektivvärdet på
strömmen om denna är sinusformad. Detta ger P = 230 * 0.12 = 27.6 W. Lampan som
sitter i är på 11 W. och med förluster inräknat kan detta vara ett rimligt värde.
Förhållandet mellan strömmens topp till toppvärde och spänningens topp till
toppvärde blir
A/V. Upplösningen per ruta blir då
mA/ruta.
Samma beräkning kan göras för all testad utrustning.
19
Upplösning
(V/ruta)
Dator
Kompaktlysrör
TFT Bildskärm
DVD
Keyboard
AVR Receiver
LCD TV
Bildrörs TV
Diodlampa
Energisparlampa
0.200
0.020
0.050
0.050
0.010
0.200
0.100
0.200
0.005
0.020
Ström
per Antal
rutor
ruta
(A/ruta)
0.57
6
0.06
6
0.14
6
0.14
3
0.03
5
0.57
7
0.28
5
0.57
4
0.01
5
0.06
7
Spänning TtT1 Ström
(V)
(A)
1.200
0.120
0.300
0.150
0.050
1.400
0.500
0.800
0.025
0.140
TtT2
3.39
0.34
0.85
0.42
0.14
3.96
1.41
2.26
0.07
0.42
Tabell 2 Beräkning av strömuttag per ruta för diagrammen i bilaga 1.
En kontrollräkning kan göras på LCD TV. Enligt specifikation ska denna dra 145 W.
och enligt beräkning blir effekten
. En skillnad på 32
W. Denna beräkning endast är grovt approximativ och LCD TV ger inte helt
sinusformad ström.
Litteraturstudie Kretsar för aktiv PFC Empirisk undersökning av diverse kretsar för effektfaktorkorrigering ger nedanstående
resultat. Angivna data för kretsarna är vilken typ av reglering de är baserade på
samt typiska användningsområdet, angivet från tillverkarens hemsida. För NCP 1654
är också en del funktioner inbyggda i kretsen angivet. Det kan vara av intresse för att
se alternativa anledningar att använda denna typ av reglering.
Texas Instruments, UCC28060 Dual Phase Transition Mode PFC Controller (Texas Instrument UCC28060).
Kan användas i t.ex.
•
•
•
•
•
Nätaggregat
LCD, Plasma TV
Datornätdelar
Små datorservar
Lysen, lysrör
ON Semiconductor, NCP 1654 Fixed Frequency Continuous Conduction Mode Controller (ON Semiconductor NCP
1654).
Kan användas i t.ex.
1
2
Topp till topp
Topp till topp
20
•
•
•
•
Desktop PC
Servrar
Platt TV
Vitvaror
Några av funktionerna.
•
•
•
•
•
•
Mjukstart
Detektering av strömspik vid tillslag
Detektering av för låg spänning
Överspänningsskydd
Programmerbar skydd för starka strömmar
Programmerbar skydd för hög effekt
ON Semiconductor, NCP1651 Single stage power factor Controller (ON Semiconductor NCP 1651).
Kan användas i t.ex.
•
•
Batteriladdare
Distribuerade elkraftsystem
LCD TV En typisk koppling med kontrollfunktioner för bl.a. ljud och stand-by använder sig av
kretsen PS-2404 från Potentia Semiconductor och visas i figur 15 (Potentia
Semiconductor). En PFC krets genererar en spänning på nära 380 V och behåller
samtidigt effektfaktorn nära ett. Separata DC-DC omvandlare reducerar denna
spänning till nivåer som kan användas till de olika kontrollfunktionerna, och ger
samtidigt galvanisk isolation för att uppfylla olika säkerhetsbestämmelser. Ett särskilt
nätaggregat som arbetar oberoende av de huvudsakliga effektkretsarna används
för standby funktionen.
21
Fig. 15 Schematisk bild över användningen av PFC i LCD TV.
De huvudsakliga kraven på effektkretsar för LCD displayer är bl.a. ett snabbt
överspänningsskydd för att förhindra skador på LCD´n, uppstart och frånslag av de
olika spänningsnivåerna och ett snabbt skydd för bortfall av spänningen.
Vitvaror Den största anledningen till att använda PFC i vitvaror är, enligt flera artiklar, att få en
så effektiv motorstyrning som möjligt samtidigt kan leverantörerna använda sig av
försäljningsargument som miljöpåverkan och lägre energikostnader (Power
Electronics, Is Power Factor Correction Justified in the Home?). Sett från tillverkarens
sida är de främsta anledningarna att använda sig utav PFC att det ger en enklare
design på styrelektroniken och marknadsmässiga fördelar. Flera företag tillverkar
kretsar lämpade för användning i vitvaror, bl.a. Texas Instrument (TI) och ON
Semiconductor (TI CONTROLLERS AND TIER ELECTRONICS BOOST WHITE GOODS'
EFFICIENCY BY UP TO 30%).
Fördelen med APFC i vitvaror är, enligt en artikel Texas Instrument skrivit, bl.a. att
minimera den harmoniska distorsionen vilket leder till lägre arbetstemperaturer,
bättre effektfaktor och lägre materialkostnader, speciellt mängden koppar som
ingår i motorer.
Det senaste inom motorstyrning för vitvaror är en teknik som använder en digital
signalprocessor i kombination med mikrokontroller (Electronics Design, Strategy,
News). På så sätt går det att konstruera flerfasiga motorer som styrs med en adaptiv
kontrollalgoritm. Det går då att kontrollera hastigheten och vridmomentet baserat
22
på belastning för att undvika att slösa på energi. Den här tekniken kan också i en
förlängning göra konstruktionen billigare eftersom det går att programmera om
funktionen utan att ändra kretslösningen.
Lysrör med HF armatur Lysrör med HF armatur innehåller i princip alltid kretsar med aktiv PFC. Dessa finns
studerade i annan litteratur och tas därför inte upp här (Larsson, 2006). Det kan dock
sägas att de ger den karakteristiska distorsionen vid nollgenomgången och kan
därför vara ett problem vid elektriska installationer.
För lysrör med HF armatur gäller att strömmens övertonshalt ökar linjärt med antalet
lampor upp till en frekvens av ca 5 kHz. Över denna frekvens är ökningen av
övertonerna inte längre linjär med antalet lampor utan ligger då på en konstant
nivå. De största problemen för HF-lysrör kommer således att uppträda i de lägre
frekvensbanden.
Resultat Enligt nämnda metoder kan den uppmäta utrustningen analyseras till följande
resultat.
Utan PFC
•
•
•
•
DVD
TFT Bildskärm
Lysrörslampa
Energisparlampa
Passiv PFC
•
•
•
•
Dator
Keyboard
Bildrörs TV
AVR Receiver
Aktiv PFC
•
•
LCD TV
Diodlampa
Ett något oväntat resultat är att TFT Bildskärmen verkar vara utan PFC korrigering trots
att det är en relativt ny modell (2006). Detta beror troligtvis på att det inte faller inom
ramen för någon av IEC standarderna.
I enighet med de undersökta kretsarna verkar LCD TV innehålla aktiv PFC. LCD TV’n
gav en typisk kurvform för aktiv PFC. På den kurvan går det också att se det typiska
hacket som ger upphov till den högfrekventa distorsionen.
23
Aktiv PFC finns också troligen i diodlampan. Kurvformen likar LCD TVs kurva och är
dessutom kapad i början på halvperioderna vilket kan tyda på att elektroniken inte
börjat arbeta före tillräcklig spänning uppnåtts. Det karakteristiska hacket för PFCkretsar återfinns på den negativa flanken på kurvan.
Kompaktlysröret gav nästan perfekt sinusform på kurvan, den enda avvikelse som
kan ses med använd utrustning är en svag avvikelse från den ideala formen omkring
nollgenomgången. Lutningen blir där inte riktigt efter den teoretiska formen. Detta
indikerar att den är utan likriktare och enbart drivs med växelspänning.
Datorn, bildrörs TV’n och receivern gav typiska kurvor för passiv PFC. De apparaterna
drar en effekt som gör att de faller inom IEC standard kategori D. Antagligen räcker
passiv PFC till för att uppfylla denna norm.
Keyboarden gav en något ovanligt kurva. Troligtvis rör det sig om passiv PFC av en
typ där de reaktiva elementen sitter efter likriktaren kallad LCD likriktare.
Förkortningen LCD3 står för de komponenter som ingår.
Diskussion Mätmetod En fördel med mätmetoden är att den är snabb att utföra och ger en god indikation
på vilken typ av korrigering som finns inbyggd i enheten. Det behövs inte dyra
instrument, mätningen kan utföras med enkla handhållna oscilloskop vilket är en
fördel vid fältstudier. Dessa fältstudier kan sedan användas för mer exakta mätningar
i laboratorium. Mätningarna blir tillräckligt bra för att detektera den karakteristiska
spiken på flankerna vid aktiv PFC.
En nackdel med mätningen är att referensen till spänningen inte framkommer på
graferna. Om spänningskurvan kunde ses samtidigt som strömkurvan kunde
eventuellt, i osäkra fall, en mer exakt bedömning av typen PFC göras. Det kan vara
av intresse att se när strömtoppen uppträder i förhållande till spänningen för att
säkert skilja på apparater utan PFC och apparater med passiv PFC. Metoden för att
uppskatta strömuttaget är mycket approximativ. Lindningen runt induktorn är inte
tillräckligt tät och skapar magnetiskt läckage. Detta medför att teoretiska värden
inte går att beräkna på annat sätt än med uppskattande metoder som gjorts i
undersökningen.
Vidare forskning En detalj att studera vidare är interferens mellan HF armaturer för lysrör. Mätning på
sådana armaturer finns dock inte med i denna undersökning utan kan studeras
vidare i Anders Larsson studie High Frequency Distorsion (Larsson, 2006). Det finns
indikationer på att denna sorts armaturer ger spikar enligt den förkommande
karaktären vilka kan förorsaka skador på andra armaturer inom samma närområde,
3
L står för induktans, C står för kapacitans och D för diod.
24
t.ex. inom butiken eller affären. Elektroniken kan paradoxalt nog vara känslig för just
de övertoner den själv producerar. Det kan bero på bristfällig filtrering av
ingångsspänningen och kan medföra att övertoner producerade av en armatur
kommer in på ingången till en annan armatur i närheten. Om antalet armaturer är
tillräckligt stort kan summan av övertonerna på strömmen göra att styrelektroniken
inte klarar av dessa spikar och går sönder.
Andra sorters lysarmaturer är också intressanta för vidare forskning. Lysdiodslampan
uppvisar tydlig aktiv PFC karaktär och vilken sorts övertoner lågenergilampan ger kan
vara intressant att studera. Lågenergilampan ger inte karakteristiska spikarna på
strömmen och då kan frågan hur denna typ av elektronik är konstruerad ställas.
Summering Denna studie är tänkt att ge läsaren en orientering i ämnet effektfaktorkorrigering
samt att skapa inblick i grundläggande termer inom detta område. Den är vidare
tänkt till att belysa användandet och problem orsakade av denna teknik. Studien
visar att användandet av aktiv PFC troligen kommer att öka inom de närmaste åren
och att fler tester behöver göras innan konsekvenserna av denna teknik är
fullständigt utredd.
Litteraturförteckning Electronics Design, Strategy, News. (u.d.). Hämtat från
http://www.edn.com/index.asp?layout=partnerContentDetail&articleid=CA6381166
den 22 8 2007
EPSMA. (u.d.). Hämtat från
http://www.epsma.org/pdf/PFC%20Guide_April%202005.pdf den 25 8 2007
Grigore, V. (u.d.). Topologilcal issues in single phase PFC. Hämtat från
http://lib.tkk.fi/Diss/2001/isbn9512257351/isbn9512257351.pdf den 23 8 2007
Jacobsson, O. (1992). PFC-Tekniker. Skellefteå: LTU.
Larsson, A. (2006). High Frequency Distorsion in Power Grids due to Electronic
Equipment. Skellefteå: LTU.
ON Semiconductor NCP 1651. (u.d.). Hämtat från
http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCP1651DR2 den 20 8 2007
ON Semiconductor NCP 1654. (u.d.). Hämtat från
http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCP1654BD65R2G den 20 8
2007
Potentia Semiconductor. (u.d.). Hämtat från
http://www.potentiasemi.com/index.html den 21 8 2007
25
Power Electronics, Is Power Factor Correction Justified in the Home? (u.d.). Hämtat
från
http://powerelectronics.com/power_management/motor_power_management/po
wer-factor-correction-0507/index.html den 22 8 2007
Research and marktes. (u.d.). Hämtat från
http://www.researchandmarkets.com/reportinfo.asp?report_id=324151&t=d&cat_id=
den 20 8 2007
Texas Instrument UCC28060. (u.d.). Hämtat från
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ucc28060.html?DCMP=hpa_pmp_gener
al&HQS=DataSheet+OT+UCC28060 den 20 8 2007
TI Application Note U-134. (u.d.). Hämtat från
http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract.tsp?abstractName=slua144 den
21 8 2007
TI CONTROLLERS AND TIER ELECTRONICS BOOST WHITE GOODS' EFFICIENCY BY UP TO
30%. (u.d.). Hämtat från
http://focus.ti.com/docs/pr/pressrelease.jhtml?prelId=sc06109 den 22 8 2007
Wikipedia Aktiv effekt. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Aktiv_effekt
Wikipedia Boost. (u.d.). Hämtat från http://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter
den 21 8 2007
Wikipedia Buck. (u.d.). Hämtat från http://en.wikipedia.org/wiki/Buck_converter den
21 8 2007
Wikipedia Buck boost. (u.d.). Hämtat från http://en.wikipedia.org/wiki/Buckboost_converter den 21 8 2007
Wikipedia Diod. (den 9 9 2007). Hämtat från http://sv.wikipedia.org/wiki/Diod
Wikipedia Effekt. (den 9 9 2007). Hämtat från http://sv.wikipedia.org/wiki/Effekt
Wikipedia effektivvärde. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Effektivv%C3%A4rde
Wikipedia Elektrisk spänning. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Elektrisk_sp%C3%A4nning
Wikipedia Elektrisk ström. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Elektrisk_str%C3%B6m
Wikipedia Fasförskutning. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Fasf%C3%B6rskjutning
Wikipedia Frekvens. (den 9 9 2007). Hämtat från http://sv.wikipedia.org/wiki/Frekvens
26
Wikipedia Impedans. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Impedans
Wikipedia Induktans. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Induktans
Wikipedia Kapacitans. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Kapacitans
Wikipedia kondensator. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Kondensator
Wikipedia Reaktans. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Reaktans
Wikipedia Reaktiv effekt. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Reaktiv_effekt
Wikipedia Resistans. (den 9 9 2007). Hämtat från http://sv.wikipedia.org/wiki/Resistans
Wikipedia Resistor. (den 9 9 2007). Hämtat från http://sv.wikipedia.org/wiki/Resistor
Wikipedia Skenbar effekt. (den 9 9 2007). Hämtat från
http://sv.wikipedia.org/wiki/Skenbar_effekt
Wikipedia spole. (den 9 9 2007). Hämtat från http://sv.wikipedia.org/wiki/Spole
27
Bilaga 1 Strömmens kurvform från studerad elektronik.
Dator 0.57 A per ruta
Kompaktlysrör 0.06 A per ruta
TFT Bildskärm 0.14 A per ruta
DVD 0.14 A per ruta
Keyboard 0.03 A per ruta
AVR Receiver 0.57 A per ruta
LCD TV 0.28 A per ruta
Bildrörs TV 0.57 A per ruta
Diodlampa 0.01 A per ruta
Energisparlampa 0.06 A per ruta