Коректор коефіцієнта потужності, перетворювальна техніка, статті

Коректор коефіцієнта потужності

В останні десятиліття кількість електроніки, використовуваної в домашніх умовах, в офісах і на виробництві, різко збільшилася, і в більшості пристроїв застосовуються імпульсні джерела живлення. Такі джерела генерують гармонійні і нелінійні спотворення струму, які негативно впливають на проводку електромережі та електроприлади, підключені до неї. Це вплив виражається не тільки в різного роду перешкоди. позначаються на роботі чутливих пристроїв, але і в перегрів нейтральної лінії. При протіканні в навантаженнях струмів зі значними гармонійними складовими, не збігаються по фазі з напругою, струм в нейтральному проводі (який при симетричному навантаженні, практично, дорівнює нулю) може збільшиться до критичної позначки.

Один з ефективних способів вирішення цього завдання - застосування коректорів коефіцієнта потужності PFC (Power Factor Correction). На практиці це означає, що у вхідний ланцюг практично будь-якого електронного пристрою з імпульсними перетворювачами необхідно включати спеціальну PFC-схему, що забезпечує зниження або повне придушення гармонік струму.

Корекція коефіцієнта потужності

Типовий імпульсний джерело живлення складається з мережевого випрямляча, що згладжує конденсатора і перетворювача напруги. Таке джерело споживає потужність тільки в ті моменти, коли напруга, що подається з випрямляча на згладжує конденсатор, вище напруги на ньому (конденсаторі), що відбувається протягом приблизно чверті періоду. В інший час джерело не споживає потужності з мережі, тому що навантаження живиться від конденсатора. Це призводить до того, що потужність відбирається навантаженням тільки на піку напруги, струм має форму короткого імпульсу і містить набір гармонійних складових (див. Рис. 1).

Вторинний джерело живлення, що має корекцію коефіцієнта потужності, споживає струм з малими гармонійними спотвореннями, рівномірніше відбирає потужність від мережі, має коефіцієнт амплітуди (відношення амплітудного значення струму до його середньоквадратичного значення) нижче, ніж у некорректірованного джерела. Корекція коефіцієнта потужності знижує середньоквадратичне значення споживаного струму, що дозволяє підключати до одного висновку електромережі більше різних пристроїв, не створюючи в ній перевантажень по струму (див. Рис. 2).

Коефіцієнт потужності (Power Factor PF) - параметр, що характеризує спотворення, створювані навантаженням (в нашому випадку - джерелом вторинного електроживлення) в мережі змінного струму. Існує два види спотворень - гармонійні і нелінійні. Гармонійні спотворення викликаються навантаженням реактивного характеру і являють собою зсув фаз між струмом і напругою. Нелінійні спотворення вносяться в мережу «нелінійними» навантаженнями. Ці спотворення виражаються у відхиленні форми хвилі струму або напруги від синусоїди. У разі гармонійних спотворень коефіцієнтом потужності вважається косинус різниці фаз між струмом і напругою або ставлення активної потужності до повної потужності, споживаної з мережі. Для нелінійних спотворень коефіцієнт потужності дорівнює частці потужності першої гармонійної складової струму в загальній потужності, споживаної пристроєм. Його можна вважати показником того, наскільки рівномірно пристрій споживає потужність від електромережі.

У загальному випадку коефіцієнт потужності - це твір косинуса кута різниці фаз між напругою і струмом на косинус кута між вектором основної гармоніки і вектором повного струму. До такого визначення призводять міркування, наведені нижче. Чинний струм, що протікає в активному навантаженні, має вигляд:

де I 2 nефф - постійна складова (в разі синусоїдальної напруги дорівнює нулю), I 2 1ефф - основна гармоніка, а під знаком суми - молодші гармоніки. При роботі на реактивне навантаження в цьому виразі з'являється реактивна складова, і воно набуває вигляду:

I 2 еф = I 2 0 + (I 2 1ефф (P) + I 2 1ефф (Q)) + SI 2 nефф. Активна потужність - це середнє за період значення потужності, що виділяється на активному навантаженні.

Її можна представити у вигляді добутку діючої напруги на активну складову струму P = Uефф Ч I1ефф (P). Фізично це енергія, що виділяється у вигляді тепла в одиницю часу на активному опорі. Під реактивною потужністю розуміють твір чинного напруги на реактивну складову струму: Q = Uефф Ч I1ефф (Q). Фізичний сенс - це енергія, яка перекачується два рази за період від генератора до навантаження і два рази - від навантаження до генератора. Повної потужністю називається твір чинного напруги на загальний діючий струм: S = U еф Ч Iефф (заг). На комплексній площині його можна представити як суму векторів P і Q, звідки видно залежність I 2 = I1ефф (заг) cos j, де j - кут між векторами P і Q, який також характеризує різницю фаз між струмом і напругою в ланцюзі.

Грунтуючись на вищесказаному, виводимо визначення для коефіцієнта потужності:

Варто зауважити, що ставлення (I1ефф) / (Iефф (заг)) є косинус кута між векторами, не відповідають чинному значенням загального струму і діючим значенням його першої гармоніки. Якщо позначити цей кут q, то вираз для коефіцієнта потужності набуває вигляду: PF = cos j Ч cos q. Завдання корекції коефіцієнта потужності полягає в тому, щоб наблизити до нуля кут різниці фаз j між напругою і струмом, а також кут q гармонійних спотворень споживаного струму (або, іншими словами, максимально наблизити форму кривої струму до синусоїди і максимально компенсувати фазовий зсув).

Коефіцієнт потужності виражається у вигляді десяткового дробу, значення якої лежить в межах від 0 до 1. Його ідеальне значення - одиниця (для порівняння, типовий імпульсний джерело живлення без корекції має значення коефіцієнта потужності близько 0,65), 0,95 - гарне значення; 0,9 - задовільний; 0,8 - незадовільний. Застосування корекції коефіцієнта потужності може збільшити коефіцієнт потужності пристрою з 0,65 до 0,95. Цілком реальні і значення в межах 0,97 ... 0,99. В ідеальному випадку, коли коефіцієнт потужності дорівнює одиниці, пристрій споживає з мережі синусоїдальний струм з нульовим фазовим зрушенням щодо напруги (що відповідає повністю активному навантаженні з лінійної вольтамперной характеристикою).

Пасивна корекція коефіцієнта потужності

Пасивний метод корекції найчастіше застосовується в недорогих малопотребляющіх пристроях (де не пред'являється строгих вимог до інтенсивності молодших гармонік струму). Пасивна корекція дозволяє досягти значення коефіцієнта потужності близько 0,9. Це зручно в разі, коли джерело живлення вже розроблений, залишається тільки створити відповідний фільтр і включити його в схему на вході.

Пасивна корекція коефіцієнта потужності полягає в фільтрації споживаного струму за допомогою смугового LC-фільтра. Цей метод має кілька обмежень. LC-фільтр може бути ефективний як коректор коефіцієнта потужності тільки в разі, якщо напруга, частота і навантаження змінюються в вузькому інтервалі значень. Так як фільтр повинен працювати в області низьких частот (50/60 Гц), його компоненти мають великі габарити, масу і малу добротність (що не завжди прийнятно). По перше. кількість компонентів при пасивному підході набагато менше і, отже - час напрацювання на відмову більше, і по-друге. при пасивної корекції створюється менше електромагнітних і контактних перешкод, ніж при активній.

Активна корекція коефіцієнта потужності

Активний коректор коефіцієнта потужності повинен задовольняти трьом умовам:

1) Форма споживаного струму повинна бути якомога ближче до синусоїдальної і - «в фазі» з напругою. Миттєве значення струму, споживаного від джерела, має бути пропорційно миттєвому напрузі мережі.

2) відбирати від джерела потужність повинна залишатися незмінною навіть в разі зміни напруги мережі. Це означає, що при зниженні напруги мережі струм навантаження повинен бути збільшений, і навпаки.

3) Напруга на виході PFC-коректора не повинно залежати від величини навантаження. При зниженні напруги на навантаженні повинен бути збільшений струм через неї, і навпаки.

Існує кілька схем, за допомогою яких можна реалізувати активну корекцію коефіцієнта потужності. Найбільш популярна в даний час «схема перетворювача з підвищенням» (boost converter). Ця схема задовольняє всім вимогам, що пред'являються до сучасних джерел живлення. По перше. вона дозволяє працювати в мережах з різними значеннями напруги живлення (від 85 до 270 В) без обмежень і будь-яких додаткових регулювань. По-друге. вона менш сприйнятлива до відхилень електричних параметрів мережі (скачки напруги або короткочасне його відключення). Ще одна перевага цієї схеми - більш проста реалізації захисту від перенапруг. Спрощена схема «перетворювача з підвищенням» приведена на рис. 3.

Стандартний коректор коефіцієнта потужності являє собою AD / DC-перетворювач з широтно-імпульсної (PWM) модуляцією. Модулятор управляє потужним (зазвичай MOSFET) ключем, який перетворює постійну або випрямлена напруга мережі в послідовність імпульсів, після випрямлення яких на виході отримують постійну напругу.

Тимчасові діаграми роботи коректора показані на рис. 4. При включеному MOSFET-ключі струм в дроселі лінійно наростає - при цьому діод замкнений, а конденсатор С2 розряджається на навантаження. Потім, коли транзистор закривається, напруга на дроселі «відкриває» діод і накопичена в дроселі енергія заряджає конденсатор С2 (і одночасно живить навантаження). У наведеній схемі (на відміну від джерела без корекції) конденсатор С1 має малу ємність і служить для фільтрації високочастотних перешкод. Частота перетворення становить 50. 100 кГц. У найпростішому випадку схема працює з постійним робочим циклом. Існують способи збільшення ефективності корекції динамічною зміною робочого циклу (погодженням циклу з обвідної напруги від мережевого випрямляча).

Схема «перетворювача з підвищенням» може працювати в трьох режимах. безперервному. дискретно і так званому «режимі критичної провідності». У дискретному режимі протягом кожного періоду струм дроселя встигає «впасти» до нуля і через деякий час знову починає зростати, а в безперервному - струм, не встигнувши досягти нуля, знову починає зростати. Режімкрітіческой провідності використовується рідше, ніж два попередніх. Він складніше в реалізації. Його сенс у тому, що MOSFET відкривається в той момент, коли струм дроселя досягає нульового значення. При роботі в цьому режимі спрощується регулювання вихідної напруги.

Вибір режиму залежить від необхідної вихідної потужності джерела живлення. У пристроях потужністю понад 400 Вт використовується безперервний режим, а в малопотужних - дискретний. Активна корекція коефіцієнта потужності дозволяє досягти значень 0,97. 0,99 при коефіцієнті нелінійних спотворень THD (Total Harmonic Distortion) в межах 0,04. 0,08.