Меню

Измерение коэффициента коррекции мощности



Понимание различных методов коррекции коэффициента мощности для AC/DC преобразователей

Ashok Bindra, Electronic Products

По определению, коэффициент мощности (Power Factor – PF) источника переменного тока – это отношение активной мощности в ваттах, подаваемой в нагрузку, к подводимой к нему кажущейся (полной) мощности, вычисляемой как произведение тока на напряжение. Коэффициент мощности можно представить в виде

Из выражения видно, что коэффициент мощности может принимать значения между 0 и 1. Следовательно, когда ток и напряжение синусоидальны и находятся в фазе, коэффициент мощности равен 1. Однако, если ток и напряжение синусоидальны, но их фазы сдвинуты друг относительно друга, кажущаяся мощность будет больше активной мощности, и в этом случае коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением. Коэффициент мощности, равный 1, – это идеальный случай, когда нагрузка чисто резистивная и линейная. В реальности использующиеся в электронных системах оффлайновые AC/DC источники питания являются импульсными и представляют собой нелинейную нагрузку.

В настоящее время чаще всего используются именно импульсные источники питания, искажающие синусоидальную форму входного тока и напряжения и приводящие к сдвигу фаз между ними. Когда фазы тока и напряжения не совпадают, коэффициент мощности оказывается меньше 1. Кроме потерь коэффициент мощности меньший единицы вызывает появление гармоник, которые смещают напряжение нейтрали и отрицательно влияют на работу других устройств, подключенных к сети. Чем меньше коэффициент мощности, тем выше содержание гармоник в сети переменного тока, и наоборот.

Именно по этой причине существуют строгие правила, ограничивающие уровень нелинейных искажений, допускаемых в сетях переменного тока. Например, в Европе был разработан стандарт EN61000-3-2 [1], определяющий допуск по отражению гармоник от электронных устройств обратно в электросеть. Он применим ко всем электронным системам класса D (компьютеры, ноутбуки, мониторы, радиоприемники и телевизоры), потребляющим более 75 Вт. Класс D – это одна из категорий (A, B, C, D) электронных устройств, установленных стандартом EN61000-3-2, который регламентирует различные допуски по нелинейным искажениям тока для каждого класса. Этот стандарт в настоящее время принят на международном уровне.

Чтобы удовлетворять требованиям стандартов в отношении уровня нелинейных искажений и поддерживать высокое значение коэффициента мощности, в модулях AC/DC преобразователей, питающих электронные устройства с потреблением более 75 Вт, необходимо использовать коррекцию коэффициента мощности (PFC – power-factor correction). Внедрение корректора позволяет обеспечить высокое значение коэффициента мощности и гарантирует снижение гармоник в сети переменного тока. Существует много схем пассивных и активных корректоров коэффициента мощности (ККМ), доступных для различных топологий входных частей источников питания.

Пассивные корректоры коэффициента мощности

Самым простым способом контроля гармоник тока является использование пассивного фильтра, пропускающего ток только на частоте сети (50 Гц или 60 Гц) [2]. Этот фильтр ослабляет гармонические составляющие тока, и подключенное в сеть нелинейное устройство теперь выглядит более похожим на линейное. С помощью фильтра, построенного на конденсаторах и индуктивностях, коэффициент мощности может быть доведен до значений, близких к единице. Однако недостаток такого решения – необходимость использования сильноточных катушек и высоковольтных конденсаторов, занимающих много места и весьма дорогих.

Рисунок 1. Из сопоставления кривых видно, что активный контроллер ККМ в источнике питания значительно превосходит пассивный корректор, с большим запасом перекрывая требования спецификации EN/IEC61000-3-2 по уровню гармоник в сети переменного тока. (Информация предоставлена компанией ON Semiconductor).

На Рисунке 1 демонстрируются входные гармоники для трех различных компьютерных источников питания мощностью 250 Вт на фоне ограничений, накладываемыми спецификациями EN/IEC61000-3-2 для устройств класса D. Амплитуды гармоник пропорциональны входной мощности этих устройств. Пассивный ККМ обеспечивает соответствие стандарту только по уровню третьей гармоники. Источник питания со схемой активного ККМ не только отвечает спецификации EN/IEC61000-3-2, но и значительно превосходит ее требования.

Несмотря на простоту схемотехнических решений и использования, схемы пассивных ККМ имеют ряд недостатков. Во-первых, габариты катушки индуктивности накладывают ограничения на их применение во многих приложениях. Во-вторых, чтобы обеспечить возможность использования устройства в любых странах, потребуется переключатель диапазонов напряжения питания. Это повышает риск выхода прибора из строя вследствие ошибки пользователя при установке переключателя. Наконец, напряжение питания не регулируется, что сказывается на стоимости и эффективности работы DC/DC преобразователя, установленного после схемы ККМ.

Активные корректоры коэффициента мощности

Помимо хороших характеристик, рост цен на медь и материалы магнитных сердечников, в сочетании с постоянным снижением стоимости полупроводниковых элементов, склоняют чашу весов в пользу активных ККМ, даже для самых чувствительных к стоимости потребительских устройств. В следующей схеме (Рисунок 2), активный ККМ включен между входным выпрямителем и накопительным конденсатором, за которым находится DC/DC преобразователь. Микросхема ККМ с соответствующими элементами формирует входной ток, повторяющий форму входного напряжения, что позволяет достичь значения коэффициента мощности 0.9 и выше.

Рисунок 2. Схема активного контроллера ККМ расположена между входным выпрямителем и накопительным конденсатором. (Информация предоставлена компанией ON Semiconductor).

Существуют три основных класса микросхем активных контроллеров ККМ, отличающихся режимом работы:

  • режим критической проводимости (Critical-Conduction Mode – CrM),
  • режим непрерывной проводимости (Continuous-Conduction Mode – CCM),
  • режим прерывистой проводимости (Discontinuous-Conduction Mode – DCM).

Подобные контроллеры предлагаются несколькими производителями, причем каждый использует собственную аргументацию для обоснования целесообразности и области применения той или иной микросхемы.

Читайте также:  Измерители мощности свч колебаний

Схема управления с режимом критической проводимости удерживает ток катушки индуктивности на границе между непрерывной и прерывистой проводимостью. Некоторые производители предпочитают называть такой режим режимом граничной проводимости (Boundary-Conduction Mode – BCM). Так как форма волны тока в этой схеме всегда известна, известно и соотношение между средним и пиковым током. Компания ON Semiconductor производит разнообразные микросхемы ККМ с управлением по напряжению в режиме критической проводимости для источников питания средней мощности (до 300 Вт). Одни из последних представителей этой категории приборов – контроллеры MC34262/MC33262.

Еще один изготовитель CrM контроллеров ККМ – компания Fairchild Semiconductor. В одном корпусе ее микросхемы FAN6920MR объединены CrM контроллер ККМ и квазирезонансный контроллер ШИМ. Для коррекции коэффициента мощности в микросхеме используется метод управления временем включения, позволяющий одновременно выполнять функции ККМ и регулировать выходное напряжение.

Вследствие уменьшенного уровня пиковых токов, снижения пульсаций и упрощения фильтрации, режим непрерывной проводимости широко используется во многих приложениях средней и высокой мощности. Некоторые ключевые производители предлагают контроллеры ККМ, работающие в режиме CCM, включая Fairchild Semiconductor, Infineon Technologies, International Rectifier, NXP Semiconductor, ON Semiconductor, Power Integrations и Texas Instruments.

Режим прерывистой проводимости предпочтителен для устройств малой и средней мощности. В этой области при создании активного контроллера ККМ компания Cirrus Logic внедрила цифровые технологии, позволившие исключить ряд внешних компонентов, необходимых при аналоговой реализации режима, и предложить малозатратное решение для источников питания ноутбуков, компьютеров и цифровых ТВ приемниках. Для достижения близкого к единице коэффициента мощности и снижения уровня электромагнитных излучений в микросхеме CS1500 (Рисунок 3) используются алгоритмы управления временем включения и рабочей частотой.

Рисунок 3. Цифровой контроллер ККМ компании Cirrus Logic реализует адаптивный цифровой алгоритм для формирования входного переменного тока, повторяющего форму входного напряжения.

Заключение

Под влиянием жестких требований стандартов, таких как EN/IEC61000-3-2 и некоторых из его глобальных производных, количество изготовителей контроллеров ККМ за последние годы увеличилось, предоставив разработчикам больше возможностей для создания решений с коэффициентом мощности близким к единице при небольших затратах и с минимальным количеством компонентов. Мы исследовали топологию как пассивных, так и активных корректоров коэффициента мощности и представили несколько контроллеров, достойных особого внимания.

Ссылки

  1. Harmonic Current Emissions Guidelines to the standard EN 61000-3-2 http://www.epsma.org/pdf/PFC%20Guide_November%202010.pdf
  2. “Basics of Power Factor Correction (PFC),” by ON Semiconductor and Dhaval Dalal, ACP Technologies http://www.eetimes.com/design/power-management-design/4215413/The-basics-of-power-factor-correction—PFC—Part-1-of-3

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник

Компенсация реактивной мощности / Коррекция коэффициента мощности

Общие положения

В связи с увеличением потребления электроэнергии все более острой становится проблема ее экономии. Повышение качества электроэнергии путем оптимизации коэффициента мощности позволяет уменьшить расходы и ускорить отдачу от инвестиций.

В распределительных электросетях низкого и среднего напряжения улучшение качества и надежности напряжения достигается коррекцией коэффициента мощности, которая осуществляется регулировкой косинуса φ и повышением стабильности напряжения с помощью реактивной мощности. Коррекция коэффициента мощности позволяет уменьшить полную мощность путем уменьшения реактивной мощности.

Что такое реактивная мощность

Электрическая нагрузка, работающая с магнитным полем (моторы, дроссели, трансформаторы, индукционные нагреватели, сварочные генераторы), вызывает отставание тока от напряжения (сдвиг фаз), обусловленный наличием индуктивности. Запаздывание приводит к тому, что ток через индуктивную нагрузку сохраняет свой знак (например, положительный) некоторое время после того, как знак напряжения уже изменился на отрицательный. В течение этого времени ток и напряжение имеют разные знаки, что приводит к образованию отрицательной энергии, которая возвращается обратно в сеть. При восстановлении одинакового знака тока и напряжения такое же количество энергии расходуется на создание магнитного поля в индуктивной нагрузке. Эти колебания энергии электромагнитного поля в цепях переменного тока и называются реактивной мощностью. В сетях переменного тока (50/60 Гц) этот процесс повторяется 50/60 раз в секунду.

Чтобы уменьшить влияние реактивной мощности на питающую сеть, можно использовать конденсаторы для временного хранения возникающей магнитной энергии обратной полярности. С этой целью в промышленном оборудовании с большими нагрузками используются либо традиционные, либо расстроенные системы компенсации реактивной мощности. Эти системы состоят из конденсаторных блоков, в которых конденсаторы могут подключаться или отключаться устройством управления в зависимости от нагрузки.

Основные компоненты для автоматических конденсаторных установок компенсации реактивной мощности

Контроллеры — являются главной частью систем коррекции коэффициента мощности. Они измеряют истинное значение коэффициента мощности и подключают или отключают батареи конденсаторов для того, чтобы достичь необходимого значения cos φ.

Контакторы — При подключении конденсатора к цепи переменного напряжения возникает в большей или меньшей степени демпфированная резонансная цепь. При этом возникает большой пусковой ток, значительно превышающий номинальное значение, особенно если в подключаемой цепи уже есть подключенные раннее конденсаторы или при наличии короткого замыкания на линии. Для уменьшения пускового тока в контакторах используется дополнительная контактная группа, которая замыкается немного раньше основной и ограничивает большие броски пускового тока за счет подключения зарядных резисторов.
При этом значительно увеличивается срок службы конденсаторов и улучшается качество электроэнергии, так как ограничение пускового тока позволяет также избежать провалов в напряжении во время переходных процессов.

Читайте также:  Вычислить мощность электродвигателя 380

Конденсаторы – конденсаторы коррекции коэффициента мощности создают необходимое опережение по фазе протекающего тока, которое компенсирует отставание по фазе в цепях с индуктивной нагрузкой.

См. в каталоге «ЧИП и ДИП» группу «Компенсация реактивной мощности» — подборка ключевых компонентов Epcos для решений в этой области.

Источник

Измерение коэффициента коррекции мощности

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:

где I 2 nэфф — постоянная составляющая (в случае синусоидального напряжения равна нулю), I 2 1эфф — основная гармоника, а под знаком суммы — младшие гармоники. При работе на реактивную нагрузку в этом выражении появляется реактивная составляющая, и оно принимает вид:

I 2 эфф=I 2 +(I 2 1эфф(P) +I 2 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=Uэфф Ч I1эфф(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=Uэфф Ч I1эфф(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 Iэфф(общ). На комплексной плоскости его можно представить как сумму векторов P и Q, откуда видна зависимость I 2 =I1эфф(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:

Стоит заметить, что отношение (I1эфф)/(Iэфф(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).

Читайте также:  Что такое фактическая мощность трансформатора

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.

Источник