Kopioi artikkelin PDF-versio
Tehoelektroniikkalaitteiden käyttö on yleistynyt viime vuosien aikana huomattavasti. Tähän on monia eri syitä, mutta yleinen elektroniikkalaitteiden käytön lisääntyminen ja vaatimukset pienemmästä fyysisestä koosta ovat vaikuttaneet nimenomaan hakkuriteholähteiden lisääntymiseen. Vastaavasti suuntaajasyöttöiset moottorikäytöt ovat yleistyneet erilaisissa teollisuuden prosesseissa, joissa tarvitaan yhä tarkempaa ja täsmällisempää liikkeen hallintaa ja korkeaa hyötysuhdetta.
Sähköverkosta nähtynä tehoelektroniikkalaitteet ovat epälineaarisia kuormia. Vaikka niitä syöttävä verkkojännite olisi hyvinkin sinimuotoinen, tasasuuntaajan ottama verkkovirta poikkeaa tästä huomattavasti. Toisaalta verkon impedanssi poikkeaa nollasta ja se on pääasiassa induktiivinen. Tästä seuraa se, että verkon impedanssin yli jäävä jännite ei ole sinimuotoinen ja verkkoon kytkettyjen muiden laitteiden jännite vääristyy.
Lopputuloksena on se, että vaikka tasasuuntaaja ja sen kuormana oleva elektroniikkalaite toimisivatkin moitteettomasti, saattavat samaan pisteeseen tai muualle verkkoon kytketyt kulutuslaitteet häiriintyä, kuva 1. Yliaallot häiritsevät ja kuormittavat myös itse sähköverkkoa ja saattavat aiheuttaa ohjaus- ja valvontalaitteiden virhetoimintoja. Lisäksi virran kolmella jaolliset yliaallot summautuvat kolmivaihejärjestelmän nollajohdossa ja kuormittavat sitä huomattavasti. Edes kuormituksen tasaaminen eri vaiheiden kesken ei tässä tapauksessa auta.
Verkkohäiriöiden kurissapitämiseksi kansalliset ja kansainväliset standardoimisjärjestöt ovat asettaneet erilaisia verkkojännitteen ja -virran käyrämuotoon liittyviä standardeja. Sähkön laadussa pääasiallinen huoli on jännitteen muodossa. Suurin osa standardeista rajoittaa kuitenkin virtayliaaltoja, koska yliaaltojännitteet muodostuvat yliaaltovirtojen ja verkon impedanssin yhteisvaikutuksesta ja toisaalta virtayliaaltoja on helppo mitata. Jännitteitä mitattaessa myös impedanssitasot on määrättävä.
Verkkosyöttöisissä teholähteissä ensimmäinen tehtävä on verkon 50 hertsin vaihtojännitteen tasasuuntaus. Valtaosa laitteista on yksivaiheisia ja sen vuoksi tässä keskitytäänkin niihin. Kolmivaihejärjestelmä on vallitseva suuremmilla tehoilla ja sitä käytetään pääasiassa teollisuudessa, jossa kotitalouslaitteita koskevat standardit eivät ole voimassa. Sähkön laatu teollisuuslaitoksessa on käyttäjän omalla vastuulla.
Esimerkkeinä standardeista mainittakoon EN-61000-3-2: Limits for Harmonic Currents Emissions (equipment input current = 16 A per phase) ja IEEE 519-1992: IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.
Jälkimmäisessä virtayliaaltojen raja-arvot on annettu suhteessa virran perusaaltoon, mutta EN-61000-3-2:n rajoista osa on absoluuttiarvoja, kuten taulukossa 1 on esitetty. Se tulee pakolliseksi lähes kaikille alle 16 ampeerin laitteille 1.1.2001. Myös yli 16 ampeerin laitteiden virtayliaalloille on olemassa standardiluonnos IEC 1000-3-4.
Raja-arvot ylittyvät helposti diodi- tai tyristoritasasuuntaajalla, kun vaihevirta kasvaa ja lähestyy standardin 16 ampeerin ylärajaa. Jos vaihevirran tehollisarvo on 16 ampeeria ja tasavirta on ideaalisen tasoittunutta (erittäin harvinaista teholähteissä), yksivaihesillan kolmannen yliaallon amplitudiksi saadaan laskemalla 4,8 ampeeria ja viidennen 2,88 ampeeria, jotka ovat huomattavasti taulukon 1 raja-arvoja suurempia.
Diodisillan ja tasajännitekondensaattorin välissä oleva suodatusinduktanssi on käytännössä paljon pienempi kuin edellinen esimerkki oletti, usein sitä ei ole lainkaan, kun teho on pieni. Verkkovirrassa on tällöin korkea pulssi verkkojännitteen huipun kohdalla. Tässä tapauksessa esimerkiksi kolmas yliaalto on paljon suurempi kuin edellisen ideaalitilanteen; se voi olla jopa kaksinkertainen.
Jos käsiteltävä teho on riittävän pieni, absoluuttinen 2,3 ampeerin raja-arvo voidaan alittaa, mutta rajoittavaksi tulee helposti suhteellinen raja-arvo. Esimerkiksi EN 61000-3-2:n luokan D tehoon kolmannen yliaallon raja-arvo on 3,4 mA/W.
Koska useissa tuotestandardeissa viitataan edellä mainittuihin virtayliaaltoja rajoittaviin määräyksiin, tarvitaan parempia tasasuuntaajaratkaisuja, jotta teholähde ja sen kuormana oleva elektroniikkatuote pysyisivät kilpailukykyisinä. Jos tehonsyöttö ei täytä asetettuja vaatimuksia, on koko tuotetta mahdotonta myydä.
Tasasuuntaajan verkkovirran käyrämuotoa voidaan parantaa erilaisilla passiivisilla ratkaisuilla, esimerkiksi lisäämällä suodatusinduktansseja tai yliaaltosuodattimia. Nämä ovat kuitenkin fyysisesti suurikokoisia, eivätkä välttämättä paranna tilannetta standardien vaatimalle tasolle.
Vakioratkaisuksi yksivaihesovelluksissa onkin muodostunut dioditasasuuntaajan jälkeen lisättävä jännitettä nostava katkoja (Boost), jonka piirikaavio on esitetty kuvassa 2a. Katkojan ohjauksen ensisijainen tehtävä on pakottaa tasasuunnatun virran käyrämuoto puoliaaltotasasuunnatuksi siniaalloksi. Tällöin verkkovirta on sinimuotoinen.
Tämän lisäksi ohjauksen on säädettävä myös verkosta otettu teho vastaamaan korjainpiirin kuormana olevaa tehoa. Muussa tapauksessa tasajännitekondensaattorin jännite ei pysy vakiona.
Käytetyn topologian suurimpia haittoja on se, että tasajännitteen on oltava suurempi kuin syöttävän verkon jännitteen huippuarvo. Yksivaiheisessa 230 voltin verkossa tämä tarkoittaa siis yli 330 voltin ja käytännössä lähes 400 voltin tasajännitettä. Tätä tehokertoimen korjauspiiriä käytetäänkin esiasteena ja sen jälkeen tarvitaan yleensä jännitettä pienentävä katkoja joko galvaanisella erotuksella tai ilman.
Jännitettä nostavaan katkojaan perustuvan tehokertoimen korjainpiirin säädön periaatteellinen lohkokaavio on esitetty kuvassa 2b ja käytännön toteutus kuvassa 3. Virran ohjearvo muodostetaan lähtöjännitteen takaisinkytkennän ja mitatun jännitteen käyrämuodon Iac avulla. Syöttöjännitteen myötäkytkentänä käytetään mitattua jännitteen tehollisarvoa Vrms, jolla virran ohjearvo jaetaan. Näin verkkojännitteen muuttuessa verkosta otettu teho pysyy vakiona eikä lähtöjännitettä tarvitse korjata takaisinkytkennän avulla. Ylikompensointia on kuitenkin varottava.
Virran säätö tapahtuu kaksipistesäätönä, jossa tehokytkin käännetään johtamattomaan tilaan, kun virran oloarvo ylittää ohjearvon Iav,ref. Kytkentätaajuus pysyy vakiona, kun kytkin käännetään johtavaksi kiinteällä kellotaajuudella, joka useimmiten on yli 100 kHz.
Kuvan analogisen kertojan ja jakajan tehtävänä on siis pitää jännitteen säätöpiirin vahvistus mahdollisimman vakiona. Tästä huolimatta jännitteen säätöpiirin rajataajuuden on oltava 50 hertsin verkossa pienempi kuin 100 hertsiä. Tämä johtuu siitä, että lähtökondensaattorissa on väistämättä yksivaihejärjestelmän tehosta, yhtälö (1), johtuva 100 hertsin vaihtokomponentti. Se kasvaa lähtötehon kasvaessa ja pienenee kondensaattorin kapasitanssin kasvaessa.
Jos rajataajuus on lähellä 100 hertsiä, näkyy vaihtokomponentti erosuuressa ja siitä johtuen huonontaa verkkovirran käyrämuotoa. Dynamiikan kannalta jännitteen säätöpiirin rajataajuuden olisi kuitenkin oltava mahdollisimman korkealla. Tyypillisesti rajataajuus on luokkaa 20 hertsiä, mutta sitä voidaan nostaa esimerkiksi suodattamalla 100 hertsin komponentti pois takaisinkytkennästä.
Edellä käsitelty tehokertoimen korjauspiirin virtasäätö perustuu virran huippuarvon säätöön, kuten hakkuriteholähteen virtasäätö myös yleisessä tapauksessa. Tällä tavoin saavutetaan hyvä dynamiikka, sillä virtasäätösilmukan rajataajuus voi olla 1/31/6 osa kytkemistaajuudesta. Koska tehokertoimen korjauspiirissä ulomman jännitesäädön rajataajuuden on kuitenkin oltava luokkaa 2030 hertsiä, ei virtasäädön rajataajuuden tarvitse olla 1000 hertsiä suurempi.
Virtasäädön rajataajuutta voidaan pudottaa lisäämällä virran mittaukseen suodatusta, joka poistaa siitä tehokkaasti kytkemistaajuiset häiriöt ja parantaa myös verkkovirran tehokerrointa. Tämä voimakkaasti suodatettu oloarvo vastaa itse asiassa virran "keskiarvoa". Tällöin säätöpiirin antama virran ohjearvo vastaa suodatettua virtaa eikä sitä voi käyttää edellisen kaksipistesäädön tapaan tehokytkimen ohjaamiseen. Pulssinleveysmodulaatiota varten tarvitaan tällöin erillinen komparaattoripiiri.
Esimerkin ratkaisu on toteutettu perinteisellä Unitroden UC 3854 -piirillä, joka on yksi ensimmäisistä ja vanhimmista tehokertoimen korjaimien ohjainpiireistä, viitteet [3] ja [4]. Tasasuuntaajan kuormana oli 756 ohmin ja 300 mH kuorma, jonka saama teho on noin 210 W. Vertailun vuoksi samaa piiriä käytettiin niin, että nostavan katkojan kytkintä ohjattiin samalla 100 kHz:n taajuudella kuin tehokertoimen korjausta (jatkossa PFC, Power Factor Correction) käytettäessä. Verkkovirtaa ei kuitenkaan pakotettu sinimuotoiseksi. Tällä menettelyllä lähtöjännite ja -teho ovat samoja molemmissa tilanteissa ja tulokset keskenään vertailukelpoisia. Pelkkää dioditasasuuntaajaa käytettäessä virta on usein vielä pulssimaisempaa.
Tehokerroinkorjauksella virta on hyvin sinimuotoinen ja sen mitattu vaihesiirto jännitteen perusaallon kanssa on vain kolme astetta.
Hakkuriteholähteiden suurin etu on korkea hyötysuhde. Jännitteen säätö tehdään pulssinleveysmoduloinnilla, jolloin tehokytkimen ollessa johtavassa tilassa sen yli jää vain pieneen päästöjännitteeseen ja kuormavirtaan verrannollinen tehohäviö. Tehopuolijohteiden kehityksestä huolimatta kytkinkäytössä, sytytyksessä ja sammutuksessa, puolijohteen yli vaikuttaa lyhyen aikaa sekä pääpiirin jännite että virta. Kytkemistaajuuden kasvaessa myös kytkemishäviöt kasvavat.
Kytkentähäviöiden vähentämiseksi onkin esitetty lukuisa määrä erilaisia resonanssipiireihin perustuvia ratkaisuja, joilla kytkentäilmiötä muokataan. Pääperiaate on ollut joko jännitteettömässä (ZVS, zero-voltage switching) tai virrattomassa (ZCS, zero-current switching) kytkennässä. Näissä tekniikoissa haittana on se, että itse kuormavirta on osa resonanssipiirin virtaa ja se johtaa suurempiin komponentteihin ja suurempiin johtohäviöihin.
Myös tehopuolijohteiden jännite- ja virtakestoisuusvaatimukset kasvavat, koska resonanssipiirin jännitteiden tai virtojen huippuarvojen on ylitettävä muutoin käytössä olevat arvot. Näiden haittavaikutusten pienentämiseksi on kehitetty kytkentöjä, joissa ainoastaan syttyminen tai sammuminen on osa resonanssipiirin toimintaa, [5].
Periaatteena on joko jännitteetön (ZVT, zero voltage transition) tai virraton (ZCT, zero current transition) siirtyminen tilasta toiseen, [6]. ZVT takaa tehokertoimen korjaimen pääkytkimen jännitteettömän syttymisen, mutta samalla myös diodin virrattoman sammumisen. Näin molempien komponenttien kytkentähäviöt pienentyvät samalla ratkaisulla. Diodin pehmeä sammuminen pienentää myös syntyviä sähkömagneettisia häiriöitä.
Kuvassa 4 on esitetty yksi ZVT-ratkaisu. Pääkytkintä QMAIN sytytettäessä ohjaus annetaan ensin resonanssipiirin kytkimelle QZVT. Resonanssipiirin induktanssin Lr virran noustua lähtövirran suuruiseksi diodi D1 sammuu pehmeästi ja syntyy resonanssipiiri, joka purkaa kytkimen QMAIN yli olevan kondensaattorin Cr. Vasta kun kondensaattori on varaukseton, pääkytkimelle QMAIN annetaan hilaohjaus ja se syttyy näin jännitteettömänä. Samalla resonanssipiirin kytkin QZVT sammutetaan ja Lr:ään varastoitunut energia pääsee purkautumaan D2:n kautta lähtökondensaattoriin. Käänteisessä vaihtokytkennässä QMAIN sammutetaan ja Cr rajoittaa sen dv/dt-arvon. Vasta kun VDS on noussut lähtöjännitteen tasolle, virta siirtyy diodille D1.
Kondensaattorin Cr varauksen purkautumisaika pääkytkintä sytytettäessä riippuu resonanssipiirin komponenttien lisäksi kuormavirran suuruudesta. Apukytkimen QZVT sytyttämisen jälkeen tarvittava viive siis muuttuu kuormituksen mukaan. Tämän vuoksi on hyvin suotavaa, että ohjainpiirissä on pääkytkimen jännitteen mittaus, jonka perusteella hilapulssi annetaan. Näin vältytään vakiomittaiselta ja pitkältä viiveeltä, joka olisi laskettava minimikuormituksen avulla. Esimerkiksi kuvan 5 Unitroden UC3855-piirin liittimeen 13 lisätään pääkytkimen VDS-jännitteen mittaus, jonka perusteella pääkytkimen sytyttäminen tapahtuu. Muuten piirissä on samat toiminnot kuin kuvassa 3.
Edellä ollutta voi pitää vain lyhyenä katsauksena laajaan aihealueeseen. Käsiteltyyn läheisesti liittyviä aiheita ovat vielä galvaanisen erotuksen toteuttaminen ja yksiastetopologiat. Niissä pyritään yhdellä tehoasteella tuottamaan sekä tehokertoimen korjaus että säädetty tasajännite. Kolmivaihejärjestelmät ovat oma luku sinänsä. Niissä voidaan käyttää moottorikäytöistä tuttua kolmivaiheista vaihtosuuntaajaa, mutta teholähdesovelluksiin se on yleensä liian kallis ratkaisu.
Otsikossa esitettyyn retoriseen kysymykseen voi vastata, että tehokertoimen korjaus on sekä teknisesti perusteltua että standardien vaatimus. Vaikka tehokertoimen korjaus lisää tehoasteen komponenttien lukumäärää, niin mitoituksessa voidaan hyötyä vakiona pysyvästä tasajännitteestä sekä syöttöverkon pienemmästä kuormituksesta. Ilmeisesti standardin vaatimukset ovat liian tiukkoja tai niiden toteuttaminen vielä liian kallista. Tähän johtopäätökseen tulee, koska EN 61000-3-2:n voimaantulopäivää on siirretty useamman kerran. Tällä hetkellä se on 1.1.2001.
Avoimia kysymyksiä on vielä runsaasti. Teknillisen korkeakoulun Älykkään tehoelektroniikan instituutissa onkin käynnistynyt aihealueeseen liittyvä laajahko kaksivuotinen tutkimushanke osana TEKESin ETX-ohjelmaa. Tavoitteena on yksinkertainen ja halpa tasasuuntaajaratkaisu. Tutkimuksen tuloksia tullaan julkaisemaan tieteellisten lehtien lisäksi myös kansallisilla forumeilla. Tälläinen on esimerkiksi 2627 elokuuta Otaniemessä pidettävä NORPIE/98 konferenssi (IEEE Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics), joka jatkaa onnistuneen FINPIE/97-tapahtuman perinnettä.
1. EN 61000-3-2: Limits for Harmonic Current Emissions (equipment input current = 16 A per phase), (IEC-1000-3-2)
2. IEEE 519-1992: IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems
3. Schäffeler Peter, Kyyrä Jorma: Active Power Factor Correction of a Single-Phase Rectifier, Stockholm PowerTech, 1995.
4. Unitrode: Product and Application Guide CD-ROM, 1996 ja http://www.unitrode.com/
5. G. C. Hua, C. S. Leu, Y. M. Jiang, and F. C. Lee, Novel Zero-Voltage -Transition PWM Converters, IEEE Power Electronics Specialist konferenssijulkaisussa, 1992
6. Grigore V., Kyyrä J.: A New Zero-Voltage-Transition PWM Switching Cell, FINPIE/97 konferenssijulkaisussa, Espoo, 1997.
7. NORPIE/98: http://www.hut.fi/Units/PowerElectronics/norpie98.html