Корректор мощности блока питания: Корректор коэффициента мощности | Преобразовательная техника

Корректор коэффициента мощности | Преобразовательная техника

Преобразовательная техника

Введение

В последние десятилетия количество электроники, используемой в домашних условиях, в офисах и на производстве, резко увеличилось, и в большинстве устройств применяются импульсные источники питания. Такие источники генерируют гармонические и нелинейные искажения тока, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключенные к ней. Это влияние выражается не только в разного рода помехах, сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтральной линии. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе (который при симметричной нагрузке, практически, равен нулю) может увеличится до критического значения.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания, электронных нагрузках люминесцентных ламп, драйверах двигателей постоянного тока и аналогичных приборах.

Один из эффективных способов решения этой задачи – применение корректоров коэффициента мощности PFC (Power Factor Correction). На практике это означает, что во входную цепь практически любого электронного устройства с импульсными преобразователями необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока.

Коррекция коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см.

рис. 1).

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 2).

Коэффициент мощности

Коэффициент мощности (Power Factor PF) – параметр, характеризующий искажения, создаваемые нагрузкой (в нашем случае – источником вторичного электропитания) в сети переменного тока. Существует два вида искажений – гармонические и нелинейные. Гармонические искажения вызываются нагрузкой реактивного характера и представляют собой сдвиг фаз между током и напряжением. Нелинейные искажения вносятся в сеть «нелинейными» нагрузками. Эти искажения выражаются в отклонении формы волны тока или напряжения от синусоиды. В случае гармонических искажений коэффициентом мощности считается косинус разности фаз между током и напряжением или отношение активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети. Для нелинейных искажений коэффициент мощности равен доле мощности первой гармонической составляющей тока в общей мощности, потребляемой устройством. Его можно считать показателем того, насколько равномерно устройство потребляет мощность от электросети.

В общем случае коэффициент мощности – это произведение косинуса угла разности фаз между напряжением и током на косинус угла между вектором основной гармоники и вектором полного тока. К такому определению приводят рассуждения, приводимые ниже. Действующий ток, протекающий в активной нагрузке, имеет вид:

I²_эфф=I ²₀+I²_1эфф +SI²_nэфф,

где I²_nэфф – постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I²_1эфф – основная гармоника, а под знаком суммы – младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:

I²_эфф=I ²₀+(I²_1эфф(P) +I²_1эфф(Q))+SI ²_nэфф. Активная мощность – это среднее за период значение мощности, выделяемой на активной нагрузке. 

Ее можно представить в виде произведения действующего напряжения на активную составляющую тока P=U_эфф Ч I_1эфф(P). Физически это энергия, выделяющаяся в виде тепла в единицу времени на активном сопротивлении. Под реактивной мощностью понимают произведение действующего напряжения на реактивную составляющую тока: Q=U_эфф Ч I_1эфф(Q). Физический смысл – это энергия, которая перекачивается два раза за период от генератора к нагрузке и два раза – от нагрузки к генератору. Полной мощностью называется произведение действующего напряжения на общий действующий ток: S=U

эфф Ч I_{эфф(общ)}. На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I²=I_{1эфф(общ)} cos j, где j – угол между векторами P и Q, который также характеризует разность фаз между током и напряжением в цепи.

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

PF=P/S=(I_1эфф cos j)/(I_{эфф(общ)} ).

Стоит заметить, что отношение (I_1эфф)/(I_{эфф(общ)} ) есть косинус угла между векторами, соответствующими действующему значению общего тока и действующему значению его первой гармоники. Если обозначить этот угол q, то выражение для коэффициента мощности принимает вид: PF=cos j Ч cos q. Задача коррекции коэффициента мощности состоит в том, чтобы приблизить к нулю угол разности фаз j между напряжением и током, а также угол q гармонических искажений потребляемого тока (или, другими словами, максимально приблизить форму кривой тока к синусоиде и максимально компенсировать фазовый сдвиг).

Коэффициент мощности выражается в виде десятичной дроби, значение которой лежит в пределах от 0 до 1. Его идеальное значение – единица (для сравнения, типичный импульсный источник питания без коррекции имеет значение коэффициента мощности около 0,65), 0,95 – хорошее значение; 0,9 – удовлетворительное; 0,8 – неудовлетворительное. Применение коррекции коэффициента мощности может увеличить коэффициент мощности устройства с 0,65 до 0,95. Вполне реальны и значения в пределах 0,97…0,99. В идеальном случае, когда коэффициент мощности равен единице, устройство потребляет из сети синусоидальный ток с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения (что соответствует полностью активной нагрузке с линейной вольтамперной характеристикой). 

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Пассивный метод коррекции чаще всего применяется в недорогих малопотребляющих устройствах (где не предъявляется строгих требований к интенсивности младших гармоник тока). Пассивная коррекция позволяет достичь значения коэффициента мощности около 0,9. Это удобно в случае, когда источник питания уже разработан, остается только создать подходящий фильтр и включить его в схему на входе.

Пассивная коррекция коэффициента мощности состоит в фильтрации потребляемого тока при помощи полосового LC-фильтра. Этот метод имеет несколько ограничений. LC-фильтр может быть эффективен как корректор коэффициента мощности только в случае, если напряжение, частота и нагрузка изменяются в узком интервале значений

. Так как фильтр должен работать в области низких частот (50/60 Гц), его компоненты имеют большие габариты, массу и малую добротность (что не всегда приемлемо). Во-первых , количество компонентов при пассивном подходе намного меньше и, следовательно – время наработки на отказ больше, и во вторых, при пассивной коррекции создается меньше электромагнитных и контактных помех, чем при активной.  

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

1) Форма потребляемого тока должна быть как можно ближе к синусоидальной и – «в фазе» с напряжением. Мгновенное значение тока, потребляемого от источника, должно быть пропорционально мгновенному напряжению сети.

2) Отбираемая от источника мощность должна оставаться постоянной даже в случае изменения напряжения сети. Это значит, что при снижении напряжения сети ток нагрузки должен быть увеличен, и наоборот.

3) Напряжение на выходе PFC-корректора не должно зависеть от величины нагрузки. При снижении напряжения на нагрузке должен быть увеличен ток через нее, и наоборот.

Существует несколько схем, при помощи которых можно реализовать активную коррекцию коэффициента мощности. Наиболее популярна в настоящее время «схема преобразователя с повышением» (boost converter). Эта схема удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным источникам питания. Во-первых , она позволяет работать в сетях с различными значениями питающего напряжения (от 85 до 270 В) без ограничений и каких-либо дополнительных регулировок. Во-вторых , она менее восприимчива к отклонениям электрических параметров сети (скачки напряжения или кратковременное его отключение). Еще одно достоинство этой схемы – более простая реализации защиты от перенапряжений. Упрощенная схема «преобразователя с повышением» приведена на рис. 3.

Принцип работы

Стандартный корректор коэффициента мощности представляет собой AD/DC-преобразователь с широтно-импульсной (PWM) модуляцией. Модулятор управляет мощным (обычно MOSFET) ключом, который преобразует постоянное или выпрямленное сетевое напряжение в последовательность импульсов, после выпрямления которых на выходе получают постоянное напряжение.

Временные диаграммы работы корректора показаны на рис. 4. При включенном MOSFET-ключе ток в дросселе линейно нарастает – при этом диод заперт, а конденсатор С2 разряжается на нагрузку. Затем, когда транзистор запирается, напряжение на дросселе «открывает» диод и накопленная в дросселе энергия заряжает конденсатор С2 (и одновременно питает нагрузку). В приведенной схеме (в отличие от источника без коррекции) конденсатор С1 имеет малую емкость и служит для фильтрации высокочастотных помех. Частота преобразования составляет 50…100 кГц. В простейшем случае схема работает с постоянным рабочим циклом. Существуют способы увеличения эффективности коррекции динамическим изменением рабочего цикла (согласованием цикла с огибающей напряжения от сетевого выпрямителя).

Схема «преобразователя с повышением» может работать в трех режимах: непрерывном , дискретном и так называемом «режиме критической проводимости ». В дискретном режиме в течение каждого периода ток дросселя успевает «упасть» до нуля и через некоторое время снова начинает возрастать, а в непрерывном – ток, не успев достигнуть нуля, снова начинает возрастать. Режим критической проводимости используется реже, чем два предыдущих. Он сложнее в реализации. Его смысл в том, что MOSFET открывается в тот момент, когда ток дросселя достигает нулевого значения. При работе в этом режиме упрощается регулировка выходного напряжения.

Выбор режима зависит от требуемой выходной мощности источника питания. В устройствах мощностью более 400 Вт используется непрерывный режим, а в маломощных – дискретный. Активная коррекция коэффициента мощности позволяет достичь значений 0,97…0,99 при коэффициенте нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion) в пределах 0,04…0,08.

Первоисточник: http://www.elcp.ru/index.php?state=izd&i_izd=elcomp&i_num=2000_02&i_art=17

< Предыдущая

Перевести страницу

Устройство импульсных блоков питания, APFC. Активный корректор коэффициента мощности. Схемы, фотографии, пояснения

Некоторое время назад мне задавали вопрос по поводу корректора коэффициента мощности импульсных блоков питания, попробую кратко рассказать что это такое и зачем надо.

Так уж сложилось, что в обычной жизненной ситуации вы скорее всего встретите корректор коэффициента мощности (ККМ) в блоке питания компьютера.
Нет, конечно они встречаются и в других блоках питания, даже чаще, чем в компьютерных. Но обычно это промышленные блоки питания и в быту попадаются крайне редко.
Думаю что большинство читателей моего блога и зрителей моего канала, как минимум немного ориентируются в радиоэлектронике, потому скорее всего видели компьютерный блок питания “изнутри”.
Блок питания с активным корректором выглядит на первый взгляд почти также как и обычный.

Но если посмотреть внимательнее, то на “горячей” стороне можно заметить большой дроссель. Его магнитопровод может иметь разную форму, но чаще всего попадаются с кольцевыми, как и вариант на фото.
Кроме того подобные блоки питания отличаются еще и тем, что обычно в них установлен один фильтрующий конденсатор на 450-500 Вольт, а не два по 200-250. Обусловлено это тем, что часто такие блоки питания имеют широкий диапазон входного напряжения от 100-115 Вольт и переключение входного напряжения им не нужно.

Не стоит путать дроссель АККМ (активный корректор коэффициента мощности) с выходным дросселем групповой стабилизации, хотя внешне они весьма похожи. Отличие в том, что обычно дроссель корректора имеет только одну обмотку, а ДГС (дроссель групповой стабилизации), несколько.

Вообще корректор может быть не только активным, а и пассивным. В этом случае вы увидите на верхней крышке блока питания “железный” дроссель с парой проводов, внешне похожий на 50Гц трансформатор мощностью 10-20 Ватт.
Такой вариант также жизнеспособен, но заменить полноценный активный корректор он не может.

Теперь немного о том, зачем это вообще все надо. Думаю вы знаете, что ток в сети имеет форму синусоиды, действующее напряжение 220-230 Вольт (у нас), амплитудное – 310-320 Вольт. Не буду сейчас рассказывать чем отличается действующее от амплитудного, сделаю это в другой раз, но кто еще не видел, синусоида выглядит так, как показано на этом рисунке.

Дальше переменный ток выпрямляется и фильтруется конденсаторами. Чаще всего применяется такая схема, представляющая из себя диодный мост и пару (иногда один) конденсаторов.
Конечно там есть еще входной фильтр, предохранитель, но в данном случае они нас не касаются.

При нормальной напряжение на конденсаторах будет примерно 280-320 Вольт в зависимости от их емкости и мощности нагрузки, я об этом уже рассказывал в своем видео посвященному устройству блоков питания.
Но так как напряжение в сети по сути 100 раз в секунду меняется от нуля до 320 Вольт и опять до нуля, а в цепи есть диодный мост, то ток заряда конденсаторов фильтра течет не всегда, а только когда амплитудное напряжение превысит напряжение на конденсаторах.
При этом ток в цепи 220-230 Вольт будет выглядеть как показано вверху этой картинки. Получается, что блок питания потребляет энергию не постоянно, а только на пиках синусоиды. Если предположить, что БП потребляет в итоге энергию всего 20% времени, то ток в момент когда идет заряд конденсаторов, будет в 5 раз больше среднего тока потребления. Например ток 1 Ампер, мощность 220 Ватт, значит пики тока будут доходить до 5 Ампер.

Проблема эта вылезла “в полный рост” тогда, когда количество импульсных блоков питания превысило некую “критическую массу”. В итоге было придумано довольно простое и эффективное решение. Кстати, в развитых странах все мощные блоки питания должны иметь корректор коэффициента мощности, но так как это недешево, то производители недорогих блоков питания на этом экономят в первую очередь.

Как я сказал, решение проблемы простое и по сути лежит на поверхности. А базой для этого решения является обычный степ-ап преобразователь напряжения. На схеме виден дроссель, транзистор, диод, ШИМ контроллер и конденсатор.
При открывании транзистора в дросселе накапливается энергия, которая при закрытии транзистора суммируется с входным напряжением и поступает в нагрузку, подзаряжая выходной конденсатор. Такая схема часто используется в повербанках для получения 5 Вольт из 3.7.

Но если скрестить обычный блок питания и эту схему, то мы получим активный корректор коэффициента мощности.
При этом важно то, что фильтрующий конденсатор после диодного моста не ставится, его роль выполняет конденсатор небольшой емкости, обычно 0.47-1.0мкФ, он нужен только для компенсации импульсного характера потребления корректора.

В итоге преобразователь пытается “высосать” из сети все что можно в диапазоне уже не 220-230 Вольт, а 40-80. Кстати, мощные блоки питания далеко не всегда могут работать в широком диапазоне, хотя и могут при этом содержать в своем составе АККМ. Просто в таких режимах корректору приходится тяжело и работу в широком диапазоне они не обеспечивают, хотя и продолжают корректно работать.

Здесь я попробовал наглядно показать разницу в работе обычного БП и БП с корректором.
Красным выделен вариант работы обычного блока питания, заштрихованная часть отображает зону, где есть потребление тока. Видно что зона довольно узкая, соответственно ток будет большим. Причем чем больше емкость конденсаторов фильтра, тем уже будет эта зона и тем ниже будет коэффициент мощности.
Синим и зеленым я показал пару вариантов работы активного корректора, один начинает работу примерно от 100 Вольт амплитудной составляющей, второй примерно от 50 Вольт. Видно что зона стала шире, соответственно ток пропорционально падает и растет коэффициент мощности.
В общем-то данная зона может начинаться почти от нуля, тогда коэффициент будет равен единице, но обычно он составляет 0.98-1, этого более чем достаточно.

Чем же чреват этот пресловутый коэффициент мощности.
Из-за пиков тока происходит кратковременная перегрузка сети, в следствие чего могут начаться проблемы в старых и изношенных сетях. Возможно отгорание нулевого провода в трехфазных сетях с совсем печальными последствиями.

А вот схема входной части компьютерного блока питания имеющего в своем составе активный корректор мощности, он выделен синим цветом.
Не удивляйтесь что на схеме нет ШИМ контроллера, который им управляет, часто он расположен на отдельной плате, а иногда интегрирован в общий ШИМ контроллер. Т.е. помимо одного-двух штатных каналов имеется еще и выход для управления транзистором корректора. Такой вариант удобен для производителя, но далеко не всегда удобен для ремонтника. В самом начале я показал фото блока питания, там как раз вышел из строя узел корректора, а так как микросхема управляет всем, то выгорела и она. Найти замену я не смог, потому Бп лежит мертвым грузом и возможно будет разобран на запчасти, тем более что они весьма неплохого качества.

Что же дает нам корректор, сначала преимущества:
1. Характер потребления почти такой же как у активной нагрузки, соответственно нет пиковых перегрузок.
2. Часто такие БП имеют расширенный диапазон входного напряжения и лучше работают в плохих электросетях.
3. Емкость фильтрующего конденсатора нужна меньше, так как паузы без тока меньше.
4. Инвертору блока питания легче работать, ведь по сути он питается стабилизированным напряжением.

Теперь недостатки.
1. Выше цена.
2. Меньше надежность
3. Могут быть сложности при работе с некоторыми моделями UPS.

Иногда идут споры, по поводу КПД таких блоков питания. Я придерживаюсь мнения, что КПД одинаков, так как хоть корректор и имеет собственное потребление, но основному инвертору работать легче, потому то на ото и выходит.

Что такое коррекция коэффициента мощности (PFC)?

Что такое коррекция коэффициента мощности?

Коррекция коэффициента мощности — это метод увеличения коэффициента мощности источника питания. Импульсные источники питания без коррекции коэффициента мощности потребляют ток короткими импульсами большой амплитуды. Эти импульсы можно сгладить с помощью активных или пассивных методов. Это снижает входной среднеквадратичный ток и полную входную мощность, тем самым увеличивая коэффициент мощности.

Коррекция коэффициента мощности формирует входной ток, чтобы максимизировать реальную мощность от сети переменного тока. В идеале электрическое оборудование должно иметь нагрузку, имитирующую чистый резистор, а это означает, что реактивная мощность будет равна нулю. А формы сигналов тока и напряжения будут одной и той же синусоидой и в фазе друг с другом. Однако из-за реактивных компонентов в большинстве цепей всегда существует отставание по мощности, что приводит к снижению коэффициента мощности.

В идеальной системе вся мощность, потребляемая от сети переменного тока, используется для выполнения полезной работы. Это возможно только тогда, когда ток совпадает по фазе с напряжением. Когда фаза между ними меняется, часть энергии от розетки переменного тока не выполняет полезную работу и теряется.

Таким образом, генерирующая компания должна производить больше энергии, чтобы удовлетворить спрос на полезную мощность и ту, которая теряется. Это означает увеличение капитальных вложений в генерацию, передачу, распределение и контроль. Затраты перекладываются на потребителя в дополнение к глобальному потеплению.

Коррекция коэффициента мощности пытается приблизить коэффициент мощности электрической системы, такой как источник питания, к 1, и даже если это не достигается, он приближается к 0,95, что является приемлемым для большинства приложений.

Методы коррекции коэффициента мощности

Существует два распространенных типа коррекции коэффициента мощности для источников питания; пассивный PFC и активный PFC.

Пассивная коррекция коэффициента мощности

Используется для небольших источников питания мощностью около 100 Вт или меньше. Метод коррекции использует фильтр гармоник нижних частот на входе переменного тока с конденсатором и катушкой индуктивности, образующими последовательный резонансный контур. Компоненты могут быть довольно небольшими, обеспечивая при этом недорогую и эффективную коррекцию коэффициента мощности.

Рис. 1. Изображение пассивного PFC Кредит

Пассивные PFC просты, надежны и надежны для более низких требований к энергопотреблению. Кроме того, они не создают электромагнитных помех. Однако они большие и тяжелые из-за индуктора.

Преимущества

• Недорогой
• Эффективный
• Простая конструкция

Недостатки

• Тяжелый и большой размер
• Нет регулирования напряжения
• Ограниченный диапазон входных напряжений

Активная коррекция коэффициента мощности

Активные методы коррекции коэффициента мощности предпочтительны для источников питания мощностью более 100 Вт. Этот метод обеспечивает более эффективную коррекцию, легче и менее громоздкий.

Базовая активная схема коррекции коэффициента мощности состоит из схемы управления, которая измеряет входное напряжение и ток, а затем регулирует время переключения и рабочий цикл, чтобы гарантировать, что входное напряжение и ток совпадают по фазе. Это обеспечивает автоматическую коррекцию входного переменного напряжения, в результате чего теоретический коэффициент мощности превышает 0,9. 5. В отличие от пассивного PFC, активный PFC работает в широком диапазоне входных напряжений. Однако он требует дополнительных компонентов, что делает его более сложным и дорогим.

Рис. 2. Изображение базовой схемы активной коррекции коэффициента мощности Кредит

Преимущества активной схемы коррекции коэффициента мощности

• Коэффициент мощности 0,95 или выше
• Маленький и легкий
• Широкий диапазон входного напряжения и частоты переменного тока (87–266 В (среднеквадратичное значение) и 47–63 Гц).
• Более гибкий
• Больше контроля

Недостатки

• Комплекс
• Более высокая стоимость
• Требуется дополнительная фильтрация из-за высоких частот, которые могут попасть в линию
Компоненты
• рассчитаны на более высокое напряжение по сравнению с пассивным PFC.

Преимущества PFC

При коэффициенте мощности, равном 1 или максимально близком, потери меньше, и вся вырабатываемая мощность используется эффективно.

• Технические преимущества: Повышение эффективности и снижение потребляемой мощности, следовательно, снижение нагрузки на коммутационное оборудование и кабели, снижение затрат для потребителя и поддержка большей нагрузки.
• Коммерческие преимущества: Снижение потерь в системе и снижение капитальных затрат для генерирующей компании. Кроме того, происходит экономия затрат на электроэнергию, так как не взимается плата за превышение реактивной мощности. Еще одним преимуществом является то, что передающее и распределительное оборудование и системы меньше нагреваются и служат дольше.
• Экологические преимущества: снижает выбросы CO2.

Изделия с PFC

Блок питания мощностью 100 Вт с одним выходом и функцией PFC

Коррекция коэффициента мощности (PFC) Объяснение | Артикул

СКАЧАТЬ PDF

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик – рассылка раз в месяц

Подписаться

Мы ценим вашу конфиденциальность

выход по сравнению с общим количеством энергии, которое он получает от входного источника питания. Это ключевой показатель качества при проектировании электрических устройств, особенно из-за правил, принятых странами и международными организациями, такими как ЕС, которые определяют минимальный коэффициент мощности или максимальный уровень гармоник, который должен иметь устройство, чтобы быть продается на европейском рынке.

Причина, по которой эти организации так инвестируют в улучшение коэффициента мощности, заключается в том, что низкокачественная электроэнергия представляет собой реальную угрозу для энергосистемы, увеличивая тепловые потери и потенциально вызывая перебои в подаче электроэнергии.

Существуют две основные причины низкого коэффициента мощности:

• Смещение: это происходит, когда волны напряжения и тока в цепи не совпадают по фазе, обычно из-за наличия реактивных элементов, таких как катушки индуктивности или конденсаторы.
• Искажение: определяется как изменение исходной формы волны, обычно вызывается нелинейными цепями, такими как выпрямители. Эти нелинейные волны содержат много гармоник, которые искажают напряжение в сети.

Коррекция коэффициента мощности (PFC) — это ряд методов, используемых для улучшения коэффициента мощности устройства.

Для устранения проблем смещения обычно используются внешние реактивные компоненты для компенсации общей реактивной мощности цепи.

Существует два варианта решения проблем с искажениями:

• Пассивная коррекция коэффициента мощности (PFC): улучшает коэффициент мощности путем фильтрации гармоник с помощью пассивных фильтров. Это обычно используется в приложениях с низким энергопотреблением, но этого недостаточно при высокой мощности.
• Активная коррекция коэффициента мощности (PFC): использует импульсный преобразователь для модуляции искаженной волны, чтобы преобразовать ее в синусоидальную волну. Единственные гармоники, присутствующие в новом сигнале, находятся на частоте переключения, поэтому их легко отфильтровать. Это считается лучшим методом PFC, но усложняет конструкцию.

Хорошая схема коррекции коэффициента мощности является важным элементом любой современной конструкции, поскольку устройство с плохим коэффициентом мощности будет неэффективным, создаст ненужную нагрузку на сеть и, возможно, вызовет проблемы для остальных подключенных устройств. .

Необходимость коррекции коэффициента мощности (PFC) в источниках питания переменного/постоянного тока

Как обсуждалось в нашей предыдущей статье, источник питания переменного/постоянного тока состоит из нескольких цепей, которые преобразуют входное напряжение переменного тока в стабильное напряжение постоянного тока при выход. Наиболее важной из этих цепей является выпрямитель, который отвечает за преобразование напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока; однако одной этой схемы недостаточно для обеспечения адекватной работы.

Чтобы источник питания переменного/постоянного тока был эффективным и безопасным, он должен включать изоляцию, коррекцию коэффициента мощности (PFC) и снижение напряжения. Эти элементы защищают пользователя, сеть и любые подключенные устройства, и каждый из них в той или иной степени интегрирован во все импульсные источники питания.

Первым шагом в любом импульсном источнике питания является выпрямление входного напряжения. Выпрямление — это процесс преобразования сигнала из переменного в постоянный, который выполняется с помощью выпрямителя. Отрицательное напряжение в волне переменного тока можно либо отсечь с помощью однополупериодного выпрямителя, либо инвертировать с помощью двухполупериодного выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель состоит из четырех диодов, соединенных по схеме, называемой мостом Гретца. Эти диоды включаются и выключаются, когда напряжение источника питания меняется с отрицательного на положительное, инвертируя полярность отрицательной полуволны и превращая синусоиду переменного тока в волну постоянного тока (см. рис. 1) .

Рис. 1. Схема мостового выпрямителя

Эта волна имеет большие колебания напряжения, называемые напряжением пульсаций, поэтому накопительный конденсатор подключен параллельно диодному мосту, чтобы помочь сгладить пульсации выходного напряжения.

Однако, если вы посмотрите на форму сигнала накопительного конденсатора выпрямителя, вы увидите, что конденсатор заряжается в течение очень короткого времени, от точки, где напряжение на входе конденсатора превышает заряд конденсатора, до пик выпрямленного сигнала. Это создает серию коротких всплесков тока в конденсаторе, которые совсем не похожи на синусоиду 9.0111 (см. рис. 2) .

Рисунок 2: Формы напряжения и тока на выходе выпрямителя

Это очень большая проблема не только для источника питания, но и для всей энергосистемы. Чтобы понять масштабы этой проблемы, мы должны сначала разобраться с концепцией гармоник.

Гармоники и преобразование Фурье

Большинство электрических сигналов, которые вы видели до сих пор, представляют собой синусоидальные волны. Однако волны часто перестают быть чисто синусоидальными, особенно когда присутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, катушки индуктивности) или нелинейные компоненты (транзисторы, диоды). Эти волны определяются различными, часто сложными математическими функциями. Это может значительно усложнить анализ этой волны, поскольку математика, лежащая в основе анализа, становится значительно сложнее (см. рис. 3) .

Рис. 3. Синусоида и искаженная волна — форма волны и волновая функция с разными частотами, называемыми гармониками (см. рис. 4) . Первая из этих волн, называемая основной, является волной с самой низкой частотой. Затем несколько других волн объединяются с основной волной и получают определенные амплитуды и частоты. Как правило, чем больше форма волны отклоняется от чистой синусоиды, тем больше в ней гармоник.

Рисунок 4: Разложение сигнала произвольной формы в ряд Фурье

Частоты гармоник должны быть целыми кратными основной частоте. Например, если основная частота волны равна 50 Гц, частота второй гармоники будет равна 100 Гц, третьей — 150 Гц и так далее.

Одним из наиболее важных параметров гармоник является их амплитуда, которая является мерой их влияния на основную частоту. Обычно основная частота имеет наибольшую амплитуду, а амплитуда гармоники уменьшается пропорционально ее порядку, поэтому 9й или 20-й гармоники практически не будет. Амплитуда этих гармоник может быть представлена ​​в виде графика, показывающего, какую роль играет каждая гармоника в создании сигнала произвольной формы.

Проблема с током в конденсаторе заключается в том, что он очень похож на дельта-функцию. Этот тип волны в идеале представляет собой бесконечно короткий, бесконечно мощный импульс. Волну такой формы по понятным причинам сложно разложить на синусоиду, что приводит к большому количеству мощных гармоник, охватывающих практически все частоты (см. рис. 5) .

Рис. 5: Гармоническое распределение дельта-функции и прямоугольной волны

Это не обязательно проблема, поскольку устройство по-прежнему подает питание на нагрузку, чего не делают многие производители маломощных блоков питания переменного/постоянного тока. ничего об этом, потому что это влияет только на коэффициент мощности источника питания. Однако, если к сети подключено слишком много мощных устройств с низким коэффициентом мощности, это может стать проблемой и даже привести к отключению электроэнергии!

Коэффициент мощности

Существует три типа мощности переменного тока. Первая называется активной мощностью и обычно упоминается как реальная мощность или P. Она представляет собой чистую энергию, которая передается на нагрузку. Если нагрузка чисто резистивная, вся мощность в линии является активной мощностью, а напряжение и ток колеблются в фазе друг с другом. Во-вторых, если нагрузка является чисто реактивной, например, катушка индуктивности или конденсатор, мощность будет чисто реактивной, часто выражаемой как Q. Эта мощность используется для создания и поддержания магнитных и электрических полей в реактивных компонентах. Эти поля заставляют ток смещаться по фазе относительно напряжения 90° вперед для емкостных нагрузок и 90° назад для индуктивных (см. рис. 6). Это означает, что общая мощность, генерируемая этими чисто реактивными нагрузками, равна нулю, поскольку положительная реактивная мощность компенсируется отрицательной реактивной мощностью.

Рисунок 6: Синфазные волны V-I и соответствующая мощность (слева). Формы сигналов V-I и соответствующая мощность для разности фаз 90° (справа)

В практических приложениях нагрузки никогда не бывают чисто резистивными или реактивными, а представляют собой их комбинацию. Третий тип мощности переменного тока представляет собой сложение как активной, так и реактивной мощности и называется полной мощностью, или S. Это сложение является квадратичным, и соотношение между активной, реактивной и полной мощностью часто выражается в виде треугольника.

Коэффициент мощности представляет собой отношение между активной мощностью и полной мощностью и используется для измерения эффективности передачи мощности в цепи (см. рисунок 7) .

Треугольник мощности

Низкий коэффициент мощности представляет собой комбинацию двух факторов: смещения и искажения. Первая, при линейных нагрузках, связана с наличием реактивных составляющих, из-за которых волны тока и напряжения не совпадают по фазе. Влияние разности фаз между напряжением и током на общий коэффициент мощности определяется коэффициентом смещения, который рассчитывается как косинус угла между волнами с использованием Уравнение (1) :

$$PF_{СМЕЩЕНИЕ}= COS (\theta_{V}-\theta_{I})$$

Однако, если мы вернемся к делу, проблема, с которой столкнулись разработчики источников питания, заключается не только в том, что волны тока и напряжения могут не совпадать по фазе, но и в том, что форма волны тока стала последовательностью импульсов, которая является нелинейной функцией. Это означает, что умножение напряжения и тока, также известное как мощность, также является нелинейным и крайне неэффективным. Это происходит, когда в цепи есть нелинейные нагрузки, такие как флуоресцентные лампы, электронные устройства и мостовые выпрямители. Эти нагрузки потребляют ток очень короткими и резкими всплесками, что создает очень большое количество гармоник, добавляя искажения к сигналу. Наиболее частый способ описания количества искажений, присутствующих в сигнале из-за наличия гармоник, — это величина полного гармонического искажения (THD), которая представляет собой долю тока гармоник по отношению к току основной гармоники. THD можно рассчитать, используя 92} $$

Коэффициент мощности часто не оказывает значительного влияния на работу устройства, но когда ток возвращается в сеть, он приносит с собой низкий коэффициент мощности. Например, если к сети подключена индуктивная нагрузка с очень низким коэффициентом мощности, такая как двигатель постоянного тока в блендере, экран телевизора в соседнем доме может начать мерцать из-за гармоник, вводимых двигателем. В больших масштабах это приводит к значительным потерям тепла в сети и даже может привести к отключению электроэнергии.

Понятно, что поставщики электроэнергии установили ограничения на количество помех, которые устройство может подавать в сеть. Первая попытка сделать это была в 1899 году, с появлением электрического освещения, когда они поняли, что помехи от других устройств заставляют мерцать лампы накаливания. Затем, в 1978 году, было выдвинуто постановление Международной электротехнической комиссии (МЭК), предписывающее ввести коррекцию коэффициента мощности в потребительских товарах.

С тех пор в разных странах были созданы собственные инструкции и правила по ограничениям коэффициента мощности. В Соединенных Штатах добровольное руководство Energy Star гласит, что любое вычислительное оборудование должно иметь PF не менее 0,9 при работе на максимальной номинальной мощности. В ЕС законодательство (IEC31000-3-2) является более строгим, разделяя электрические устройства на четыре категории: бытовые приборы (A), электроинструменты (B), осветительные приборы (C) и электронные устройства (D). Каждая категория имеет определенные ограничения на относительный вес каждой гармоники (вплоть до 39-й).th) может иметь относительно основной частоты. В других странах есть свои особые версии этого законодательства, такие как китайский GB/T 14549-93 или международный IEEE 519-1992.

На рис. 8 показаны ограничения формы сигнала, установленные IEC61000-3-2 для устройств класса C, как в частотной, так и во временной области. Как видите, максимальные значения амплитуд гармоник в частотной области следуют форме прямоугольной волны, что подтверждается наблюдением результирующих волн во временной области.

Рис. 8. Максимальные значения гармоник для устройств класса C в частотной (слева) и временной (справа) областях очень сложно найти устройство без ККМ, превышающее регламентированные пределы по гармоникам и коэффициенту мощности. Следовательно, в любом коммерческом устройстве необходима хорошая схема коррекции коэффициента мощности, чтобы повысить эффективность работы и иметь возможность продавать устройство как потребительский товар.

Что такое коррекция коэффициента мощности (PFC)?

Коррекция коэффициента мощности (PFC) — это ряд методов, которые производители электронных устройств используют для улучшения коэффициента мощности.

Как упоминалось ранее, низкий коэффициент мощности вызван наличием смещения или искажения сигнала. Отрицательное влияние смещения на коэффициент мощности решить относительно просто, потому что конденсаторы тянут фазу вперед, а катушки индуктивности отбрасывают ее назад. Если волна тока в системе отстает от напряжения, вы можете просто добавить в цепь конденсатор с правильным импедансом, и фаза волны тока будет сдвигаться вперед до тех пор, пока она не совпадет по фазе с напряжением (см. рис. 9) .

Рис. 9. Передача мощности с низким коэффициентом мощности без PFC (слева) и передача мощности с исправленным коэффициентом мощности и PFC (справа)

С другой стороны, улучшение коэффициента искажения системы, которое обычно присутствует в нелинейных цепях, немного сложнее, чем компенсация коэффициента смещения в линейных схемах. Для этого есть два варианта:

1. Фильтрация гармоник: Примите потерю эффективности, но попытайтесь уменьшить количество гармоник, вводимых в сеть, путем добавления фильтров на входе. Это называется пассивной коррекцией коэффициента мощности и использует фильтр нижних частот, направленный на устранение высших гармоник, в идеале оставляя только основную частоту 50 Гц (см. рис. 10). В практических приложениях это не очень эффективно для улучшения коэффициента мощности устройства, а также нецелесообразно для мощных решений из-за потери эффективности, размера и веса необходимых конденсаторов и катушек индуктивности. Обычно он не используется в приложениях с мощностью выше сотен ватт.

Рис. 10. Активная коррекция коэффициента мощности в режиме DCM, форма выходного тока (слева) и частотная характеристика пассивного фильтра коррекции коэффициента мощности (справа)

1. Активная коррекция коэффициента мощности. Этот метод изменяет форму сигнала тока, заставляя его следовать за напряжением. Таким образом, гармоники перемещаются на гораздо более высокие частоты, что упрощает их фильтрацию. Наиболее широко используемой схемой для этих случаев является повышающий преобразователь (см. рисунок 11) . Эта схема повышает постоянное напряжение, уменьшая его ток, подобно трансформатору. Простейший повышающий преобразователь состоит из катушки индуктивности, транзистора и диода.

Рис. 11. Импульсный источник питания переменного/постоянного тока с активной коррекцией коэффициента мощности

Повышающий преобразователь работает в два этапа. На первом этапе, когда ключ замкнут, индуктор заряжается от источника напряжения (в данном случае напряжения, выходящего из выпрямителя). Когда ключ размыкается, катушка индуктивности подает в цепь ток, накопленный на предыдущем этапе, увеличивая напряжение на выходе. Этот ток также заряжает конденсатор, отвечающий за поддержание уровня напряжения на выходе во время перезарядки катушки индуктивности.

Если частота коммутации достаточно высока, ни катушка индуктивности, ни конденсатор никогда полностью не разряжаются, а нагрузка на выходе всегда имеет большее напряжение, чем источник входного напряжения. Это называется режимом непрерывной проводимости (CCM). Чем дольше ключ замкнут (т.е. чем дольше транзистор открыт), тем больше будет напряжение на выходе. Если рабочий цикл (время включения переключателя по отношению к общему циклу переключения) правильно контролируется, волна входного тока может иметь форму синусоиды.

Однако не все преобразователи PFC используют CCM. Существует еще один метод, предлагающий меньшие коммутационные потери и более дешевые схемы, хотя и жертвующий качеством конечного коэффициента мощности. Этот метод, называемый режимом граничной проводимости (BCM) или режимом критической проводимости, переключает транзистор, когда катушка индуктивности полностью разряжается (см. рисунок 12) . Это называется переключением с нулевым током (ZCS), которое позволяет диоду в повышающем преобразователе быстрее и проще менять полярность, уменьшая потребность в высококачественных и дорогих компонентах.

Рис. 12. Ток индуктора, транзистора и диода PFC для режима непрерывной проводимости (слева) и режима граничной проводимости (справа)

Преобразователь отслеживает входное напряжение, поэтому выходной ток выглядит как синусоида с частотой 50 Гц . Тем не менее, эта форма волны тока по-прежнему сильно отличается от чистой синусоиды, поэтому логически она будет иметь большое количество гармонических составляющих. Поскольку эти гармонические составляющие кратны частоте переключения, которая намного выше (от 50 кГц до 100 кГц), чем основная частота 50 Гц, они будут очень эффективно отфильтровываться. Это значительно увеличивает коэффициент мощности, поэтому некоторые импульсные блоки питания достигают коэффициента мощности до 0,9.9.

Одной из реализаций корректора коэффициента мощности BCM является контроллер MP44010. При подключении к повышающему преобразователю вывод ZCS определяет, когда катушка индуктивности разряжена, и активирует полевой МОП-транзистор (Q1 на рис. 13). Эта микросхема также сравнивает ток и напряжение, формируя пики тока в соответствии с формой входного напряжения.

Рисунок 13: Типовая прикладная схема MP44010

Резюме

Коэффициент мощности является ключевым элементом, который необходимо учитывать при проектировании любого электронного устройства, но особенно в случае источников питания переменного/постоянного тока. Однако выбор правильной схемы PFC требует анализа различных доступных компромиссов.