В чем разница между пассивной и активной корректировкой коэффициента мощности?

Каждый день количество электронных устройств, использующих импульсные источники питания, увеличивается. В результате коррекция коэффициента мощности (cos φ) стала очень важной проблемой, которая привела к созданию нормативных стандартов. Благодаря этим стандартам инженеры-проектировщики / прикладные технологи используют новейшие технологии в пассивных и активных компонентах и интегральных схемах контроллеров (ИС) для создания широкого спектра корректоров коэффициента мощности.

Мощность

Треугольник мощностей связывает активную, реактивную и полную мощность

Давайте начнем с разговора о концепции коэффициента мощности (PF или более привычно для нас cos φ). ). Предполагая идеально линейную нагрузку с идеальными синусоидальными кривыми тока и напряжения (нет сдвига по фазе), коэффициент мощности системы электроснабжения представляет собой отношение реальной мощности (кВт) к полной мощности (кВА) (рисунок выше).

Он также может быть определен как косинус угла между волнами тока и напряжения. Значение коэффициента мощности может варьироваться от 0 до 1. Когда ток и напряжение полностью совпадают по фазе, коэффициент мощности равен 1.

Изображены идеальные синусоидальные волны с коэффициентом мощности равным единице

Идеальные синусоидальные значения токов и напряжений обычно возникают, когда нагрузки состоят из резистивных, емкостных и индуктивных элементов, которые являются линейными (не зависят от тока и напряжения). Этот тип коэффициента мощности обычно связан с промышленным оборудованием, таким как электродвигатели (рисунок выше).

Соотношение между коэффициентом мощности и полными гармоническими искажениями

Где PF – коэффициент мощности, а THD – общие гармонические искажения

В настоящее время очень часто можно найти коэффициент мощности, который потребляет ток в несинусоидальной форме волны (рисунок ниже) среди электронных устройств с нелинейными нагрузками. Такие электронные устройства используют преобразование мощности для лучшего контроля или экономии энергии. Такое преобразование мощности достигается с помощью импульсных источников питания, которые обычно используются в ПК, аудиовизуальном оборудовании, флуоресцентном освещении, диммерах, копировальных аппаратах, зарядных устройствах и других устройствах.

Здесь мы видим несинусоидальные формы волны с сильным искажением волны тока

На рисунке выше показано, что ток и напряжение идеально совпадают по фазе, даже несмотря на сильное искажение волны тока. Применение «косинуса фазового угла» привело бы к неверному выводу, что этот источник питания имеет коэффициент мощности 1,0. В этом случае коэффициент мощности следует анализировать с точки зрения гармонического ряда основной частоты линии электропередачи. Принимая во внимание абсолютные значения общих гармонических искажений (THD), коэффициент мощности для нелинейных нагрузок может быть определен, как показано на в формуле выше.

Коэффициент мощности, который не равен единице, может вызвать гармонические искажения. Такое искажение может мешать работе других устройств,  питающихся от одного и того же источника, что и потребитель, генерирующий высшие гармоники. Глядя на рисунок выше, можно сказать, что для достижения коэффициента мощности 1,0 значение THD должно быть равно нулю. Гармонические искажения могут вызвать серьезные проблемы, такие как повреждение кабелей и другого оборудования в электрической сети, а также риск перегрева и возгорания, высокие напряжения и блуждающие токи, неисправности оборудования и отказы отдельных компонентов и так далее.

Корректировка коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности (PFC) используется, чтобы избежать гармоник входного тока, тем самым сводя к минимуму помехи для других устройств, питающихся от того же источника. В Европе и Японии электрооборудование должно соответствовать стандарту IEC61000-3-2. Этот стандарт применяется к большинству электроприборов с потребляемой мощностью более 75 Вт (оборудование класса D). Он также определяет максимальную амплитуду линейных гармоник до 39-й гармоники включительно.

В Соединенных Штатах не существует стандартов для ограничения выбросов гармонического тока, генерируемого электрическим оборудованием, как в Европе (IEC6100-3-2). Однако инициатива под названием 80 PLUS пытается интегрировать более эффективные блоки питания, особенно для персональных компьютеров, серверов и ноутбуков.

80 PLUS сертифицирует более 80% энергоэффективности при 20%, 50% и 100% номинальной нагрузки. Чтобы соответствовать сертификации 80 PLUS, для блоков питания требуется значение коэффициента мощности 0,9 или выше при 100% нагрузке. Это означает, что блоки питания у которых мощность потерь достигает 20% или менее (в виде тепла при указанных уровнях нагрузки), приведут к снижению потребления электроэнергии и снижению счетов за нее. Иногда производителям, использующим блоки питания сертифицированные по стандарту 80 PLUS, предоставляются льготы.

Типы корректоров коэффициента мощности (PFC)

Для уменьшения гармонических искажений используются два типа корректоров коэффициента мощности: пассивный PFC и активный PFC.

Примитивный П образный фильтр схема

Как следует из названия, пассивный корректор мощности использует пассивные компоненты для коррекции значений выходного тока и напряжения (например, катушки индуктивности и конденсаторы). Пассивный PFC способен поднять коэффициент мощности до 0,7-0,85. Вот наиболее распространенные типы пассивных корректоров мощности:

Входной LC фильтр: также называется П-фильтром, он удаляет нежелательные частоты из сигнала. Фильтр уменьшает содержание гармоник в текущем сигнале, следя за тем, чтобы частота среза фильтра была чуть выше основной частоты. В результате достигается оптимальное затухание гармоник (рисунок ниже).

Примитивный LC фильтр для снижения гармонических колебаний сети

Фильтр на схеме Valley-fill: данный тип корректора коэффициента мощности может использоваться в приложениях с низким энергопотреблением, где допускается высокое эффективное пульсирующее напряжение на выходе постоянного тока. Он часто используется в электронных балластных системах. Схема содержит два конденсатора и три диода. Два конденсатора заряжаются последовательно от пика линии до половины пикового напряжения линии. Когда напряжение линии падает ниже напряжения одного конденсатора, диоды мостового выпрямителя смещаются в обратном направлении, что не позволяет току течь. Затем диоды valley-fill переходят в проводящий режим, а конденсаторы подключаются параллельно для питания нагрузки. На рисунке ниже показан обычный контур valley-fill.

Фильтр на схеме Valley fill

Пассивные методики корректировки коэффициента мощности обычно используют простой LC-фильтр с линейной частотой, чтобы увеличить угол проводимости тока и уменьшить гармонические составляющие входного тока диодно-конденсаторного выпрямителя. Благодаря своей простоте, пассивный LC-фильтр является высокоэффективным и недорогим PFC-решением, которое потенциально может соответствовать спецификациям IEC 61000-3-2 класса D в диапазоне малой мощности. Однако при более высоких уровнях мощности размер и вес пассивных компонентов становятся проблемой из-за наличия более тяжелых и объемных катушек индуктивности фильтра. Пассивные методы имеют определенные преимущества, такие как простота, надежность и прочность, нечувствительность к шуму и скачкам напряжения, отсутствие генерации электромагнитных помех (EMI) и отсутствие потерь при высокочастотном переключении.

Активные PFC используют схемы активной электроники, которые содержат такие устройства, как MOSFET, BJT и IGBT. Существует широкий спектр топологий для активных корректоров мощности, и разработчики электроники / источников питания могут создавать схемы с различными режимами работы и различными задачами по мере развития технологий. Вот два основных типа активных корректировщиков коэффициента мощности (PFC):

Boost PFC

Эта популярная реализация, которая также называется повышающим преобразователем, представляет собой преобразователь мощности с выходным напряжением постоянного тока, превышающим его входное напряжение постоянного тока. Этот класс импульсного источника питания (SMPS) содержит, по меньшей мере, два полупроводниковых переключателя и один элемент накопления энергии (конденсатор). Фильтры обычно добавляются к выходу преобразователя для уменьшения пульсации выходного напряжения. Поскольку мощность должна быть сохранена, выходной ток меньше, чем входной ток.

Практически все повышающие PFC используют стандартную микросхему контроллера для простоты конструкции, снижения сложности схемы и экономии затрат.

Схема пассивного корректора мощности

Когда переключатель (S) замкнут, выход индуктора соединен с землей, и на него подается напряжение (Vi). Ток индуктора увеличивается со скоростью, равной Vi / L. Однако при размыкании контакта напряжение на катушке индуктивности изменяется и становится равным VL-Vin. Ток, который протекал в индукторе, будет затухать со скоростью, равной (VL-Vi) / L.

Buck фильтр - это активная коррекция коэффициента мощности

Индуктор фильтра на входной стороне является основным преимуществом повышающих PFC, поскольку он допускает мало искаженные входные токи, которые предотвращают уменьшение значения коэффициента мощности. Недостатком этого подхода является то, что выходное напряжение всегда превышает пиковое входное напряжение. Кроме того, отсутствует ограничение тока во время перегрузки и короткого замыкания из-за прямой связи между линией и нагрузкой.

Buck PFC

Этот понижающий преобразователь напряжения и повышающий преобразователь тока работают по принципу накопления энергии в индуктивности. Существует переключающий элемент (силовой MOSFET транзистор или IGBT), который можно открывать или закрывать (схема выше).

Когда переключатель находится во включенном положении (то есть MOSFET транзистор находится во включенном состоянии), импульс тока течет к нагрузке, и энергия накапливается как в индуктивности (L), так и в конденсаторе (C), и ток не протекает через диод, как при обратном смещением. Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ., Энергия, накопленная в катушке индуктивности, возвращается в цепь, и ток течет через нагрузку и диод. В какой-то момент, когда напряжение нагрузки начинает падать, заряд, хранящийся в конденсаторе, становится основным источником тока до тех пор, пока переключатель не будет снова включен.

Buck преобразователи могут быть очень эффективными (КПД в 95% или выше для интегральных схем).

Выводы

Корректоры коэффициента мощности значительно изменились из-за возросшего интереса к соблюдению стандартов, таких как IEC61000-3-2 (подавление гармоник), пределов электромагнитных помех и других. Они улучшились и стали более экономичными благодаря улучшенным интегральным контроллерам.

Основное различие между пассивной и активной корректировкой коэффициента мощности заключается в простом использовании пассивных компонентов по сравнению с использованием в основном активных компонентов с интегральными схемами контроллера. Оба могут добиться коррекции коэффициента мощности на разных уровнях. В зависимости от эффективности конструкции, стоимости и топологии они могут использоваться в самых разных приложениях.

Таблица сравнения активной и пассивной корректировки коэффициента мощности сети

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *