Что такое корректор коэффициента мощности

Что такое корректор коэффициента 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.

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).

Основываясь на вышесказанном, выводим определение для коэффициента мощности:

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).

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.

Активная коррекция коэффициента мощности

Активный корректор коэффициента мощности должен удовлетворять трем условиям:

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.

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.

Источник

Корректор коэффициента мощности. Схема. Расчет. Принцип действия.

Схема корректора коэффициента мощности (10+)

Корректор коэффициента мощности. Схема. Расчет. Принцип действия

Проблемы отбора мощности классическим выпрямителем

Основной проблемой классического выпрямителя с накопительным конденсатором, работающего от синусоидального или другого непрямоугольного напряжения, является тот факт, что отбор энергии от сети происходит только в те моменты времени, когда напряжение в ней больше, чем напряжение на накопительном конденсаторе. Действительно, конденсатор может заряжаться только если к нему приложено напряжение, большее чем то, до которого он уже заряжен.

Причем в те моменты, когда напряжение сети становится больше напряжения конденсатора, ток зарядки очень велик, а все остальное время он нулевой. Получается, что, например, для синусоидального напряжения питания, наблюдаются всплески тока при достижении напряжением амплитудных значений. Если Ваше устройство потребляет небольшую мощность, то это можно стерпеть. Но для нагрузки, скажем, 1 кВт 220В всплески тока могут достигать 100 А. Что совершенно неприемлемо.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Государственные стандарты на силовые устройства запрещают их изготовление и продажу, если не обеспечивается равномерный отбор мощности.

Чтобы решить эту проблему, применяют корректоры коэффициента мощности.

Простейший корректор коэффициента мощности

Устройство отличается от классического выпрямителя тем, что зарядка накопительного конденсатора осуществляется через дроссель. Электрический ток через дроссель не может измениться моментально. Соответственно, дроссель как бы усредняет ток зарядки. При правильном выборе дросселя, ток зарядки будет идти постоянно, вне зависимости от текущего значения напряжения. Мощность, соответственно, от сети тоже будет отбираться постоянно, а не только при пиках напряжения. Сила тока не будет иметь ярко выраженных всплесков. Все поставленные задачи решены.

Для нормального функционирования схемы нужен дроссель, который не будет насыщаться при максимально возможном потребляемом токе. Индуктивность дросселя должна быть такой, чтобы пульсации тока не превышали 1А, чтобы соответствовать государственным стандартам. Для 50 Гц индуктивность составляет 3 Гн. Для нагрузки 1 кВт такой дроссель, конечно, можно изготовить, но весить он будет более 50 кг, а стоить больше 10 000 рублей с учетом современной цены меди.

Импульсный корректор коэффициента мощности

Силовая импульсная электроника дает другое решение.

Это классический повышающий преобразователь напряжения. Конденсатор, подключенный к мосту, выбирается небольшой емкости, только для фильтрации высокочастотных импульсов. Напряжение на нем пульсирует. Повышающий преобразователь преобразует пульсирующее напряжение в постоянное на конденсаторе C5 за счет ШИМ модуляции. При фиксированном выходном напряжении входной ток пропорционален входному напряжению, то есть изменяется плавно по синусоидальному закону, без скачков и всплесков.

Устройство рассчитано на выходную мощность 500 Вт. Как увеличить мощность устройства, читайте по ссылке.

Добавление от 27.02.2013 Иностранный производитель контроллеров Texas Instruments преподнес нам удивительно приятный сюрприз. Появились микросхемы UC3823A и UC3823B. У этих контроллеров функции выводов немного не такие, как у UC3823. В схемах для UC3823 они работать не будут. Вывод 11 теперь приобрел совсем другие функции. Чтобы в описанной схеме применить контроллеры с буквенными индексами A и B, нужно вдвое увеличить резистор R6, исключить резисторы R4 и R5, подвесить (никуда не подключать) ножку 11. Что касается российских аналогов, то нам читатели пишут, что в разных партиях микросхем разводка разная (что особенно приятно), хотя мы пока новой разводки не встречали.

Смотрите также онлайн расчет дросселя. В форме задайте амплитуду пульсаций тока равной нулю, чтобы получить нужные нам параметры.

Выходное напряжение формируется на конденсаторе C5.

Комментарий: В параметрах дросселя была ошибка, на которую нам указали читатели. Теперь она исправлена. Кроме того, для повышения стабильности работы схемы может быть полезно ограничить максимальное время открытия силового полевого транзистора. Для этого устанавливаем подстроечный резистор между 16 ножкой микросхемы и минусовым проводом питания, а движок соединяем с ножкой 8. (Как, например, на этой схеме.) Подстраивая этот резистор, можно регулировать максимальную скважность импульсов от ШИМ-контроллера.

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Можно ли предположить, что такой корректор мощности (электронный) позволяет экономить энергию потребляемую из эл. сети? Если да, то будет ли это зависеть напрямую от ёмкосли конденсатора С5? Уточнение: я имею ввиду условия для активной нагрузки, которой безразлично постянное или переменное напряжение. С уважением, Сергей. Читать ответ.

Здравствуйте! Подскажите пожалуйста как рассчитать индуктивность дросселя и ёмкость эл. конденсатора для ‘простейшего корректора коэффициента мощности’ на другую частоту. Например на 100, 200, 300 кГц. Спасибо! Читать ответ.

Здравствуйте! Можно ли обмотку l2 дополнительно использовать для питания: драйверов ir2101 и гальванически связанного с ними контроллера инвертора трехфазного асинхронного двигателя. Питание драйверов верхних ключей бутстрепное. С уважением, Борис Читать ответ.

Здравствуйте! В статье ‘Импульсный корректор коэффициента мощности’ нет достаточной информации о сердечнике дросселя L1. Не могли бы Вы указать материал сердечника, а также его типоразмер, для варианта корректора, мощностью до 100 ватт. С уважением, Гоша. Читать ответ.

устройство для резервного, аварийного, запасного питания котла, циркул.
У меня установлен газовый отопительный турбо котел, требующий электропитания. Кр.

Понижающий импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Пр.
Понижение напряжения постоянного тока. Как работает понижающий преобразователь н.

Переменный резистор, потенциометр, сопротивление, управляемое, регулир.
Управляемый напряжением переменный резистор, электронная регулировка сопротивлен.

Источник

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

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.

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).

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.

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.

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).

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.

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.

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 V_L-Vin. Ток, который протекал в индукторе, будет затухать со скоростью, равной (V_L-Vi) / L.

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.

Источник

Корректор коэффициента мощности. Схема

Сразу скажем, что вопреки поверхностным утверждениям наличие корректора коэффициента мощности само по себе не дает улучшения формальных характеристик устройства, в котором он применен. Наоборот, введение ККМ как достаточно сложного устройства пока приводит к заметному удорожанию и усложнению продукта в целом (конечно, по мере развития техники цена будет снижаться). Тем не менее, уже сейчас введение ККМ в усилители мощности дает ряд очень важных преимуществ, с лихвой окупающих это усложнение.

Еще одним, совсем неожиданным преимуществом является то, что сетевой фон (тот самый) при использовании только усилителей с ККМ, оказывается, как правило, децибел на 10 ниже.

2. ЧТО ЭТО ТАКОЕ И КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

Несмотря на многообразие реально существующих устройств, принцип работы ККМ можно рассмотреть на следующем простом примере (см. рис. 1).

существенными. Самое важное здесь то, что при надлежащем управлении вход такого преобразователя со стороны сети будет выглядеть как некоторое сопротивление (ток в каждый момент времени пропорционален напряжению), и в то же время на выходном конденсаторе будет поддерживаться некоторое постоянное напряжение, практически не зависящее от нагрузки и напряжения сети (!). При этом между напряжением в сети и током, отбираемым от нее, не будет ни сдвига фаз (cos j 1)*, ни нарушения пропорциональности.

На практике же энергоемкость традиционных блоков питания у подавляющего большинства усилителей гораздо ниже, и причиной тому не только банальная экономия производителей на трансформаторах и конденсаторах. Не менее существенно то обстоятельство, что выпрямитель с конденсаторами большой емкости представляет собой цепь, нагружающую сеть только в короткие промежутки времени (во время «верхушек» синусоид), зато большими токами (см. рис. 2), где, кстати, видно, что форма сетевого напряжения сильно искажена такими выпрямителями). Причем, чем лучше трансформатор и выше емкость, тем сильнее выражено это явление. Включать подобный блок питания в сеть можно только при наличии устройств «мягкого» пуска, иначе будут сгорать предохранители. Далее, любой, даже небольшой скачок напряжения сети в сторону повышения вызывает резкий рост величины этих импульсов тока, что приводит к выходу выпрямителей из строя. Именно поэтому емкость конденсаторов (и, соответственно, энергоемкость блоков питания) в большинстве усилителей с традиционным блоком питания выбрана много меньшей, чем это необходимо для обеспечения надлежащего запаса мощности на низких частотах.

Взглянув на рис. 3, можно заметить еще два обстоятельства.

Еще одна проблема возникает в трехфазных сетях. Из-за того, что фазы напряжений в трехфазной сети сдвинуты на время, значительно большее, чем длительность этих импульсов тока, они в нулевом проводе перестают компенсироваться. Более того, ток в нулевом проводе окажется примерно равным сумме фазных токов, тогда как в нормальной ситуации ток через него вообще не

должен течь, и нулевой провод обычно делают более тонким, чем фазные. Если учесть, что ток через него становится больше, чем через фазные, а также то, что установка предохранителей в нулевой провод запрещена, нетрудно догадаться, что тут недалеко и до пожара. Поэтому величина гармоник тока потребления ограничена достаточно жесткими международными стандартами. Традиционные блоки питания при мощности выше 150. 200 Вт удовлетворить этим стандартам принципиально не в состоянии. Это приведет к тому, что при больших мощностях традиционные блоки питания просто-напросто оказываются «вне закона».

Всех этих проблем можно избежать, если со стороны сети блок питания будет выглядеть как чисто активное сопротивление, подобно утюгу или лампочке накаливания.

Именно так и работает блок питания с корректором коэффициента мощности. Исчезают проблемы, связанные с нестабильностью сети, а также появляется возможность обеспечить необходимую энергоемкость блока питания.

Коэффициент мощности совпадает с cos j только в случае чисто синусоидальных токов и напряжений. Если же ток или напряжение несинусоидальны, применимым остается только коэффициент мощности, который показывает какая доля тока, прошедшего по проводам и нагревающего их, с пользой ушла в нагрузку. Коэффициент мощности обычного выпрямителя не превышает 0,25…0,3, тогда как у хорошего ККМ он составляет не менее 0,92…0,95, т.е. в 3-4 раза больше (вот откуда трех-четырехкратная разница!).

Рассмотрены вопросы создания пассивных корректоров коэффициента мощности для модулей питания, работающих от однофазных и трехфазных сетей. Пассивные корректоры мощности, использующие только дроссели и конденсаторы просты, надежны и не генерируют радиопомех. Для таких корректоров мощности приведены технические решения и основные соотношения для проектирования.

Еще одна проблема таких ИВЭП связана с импульсным потреблением тока. В ИВЭП с БТВ входной выпрямитель с емкостным фильтром потребляет от сети импульсный ток длительностью всего 0,25-0,3 полупериода при соответствующем увеличении его амплитуды. Несинусоидальный характер потребляемого тока вызывает искажения формы кривой напряжения питающей сети, причем наиболее остро это проявляется в сетях ограниченной мощности, к которым относятся системы электроснабжения (СЭС) автономных объектов. Известно, что такие СЭС строятся на основе встроенных электроагрегатов, прицепных электростанций, электроустановок с отбором мощности, значение которой выбирается соизмеримым с мощностью, потребляемой РЭА.

С искажениями формы кривой напряжения первичных источников ограниченной мощности разработчики РЭА сталкивались и раньше, при применении трансформаторных выпрямительных устройств. Обычным требованием было использование выпрямительных нагрузок, которые составляли не более 20-30% от мощности первичных источников. Внедрение ИВЭП с БТВ резко обострило эту проблему.

Искажения формы кривой напряжения питающей сети не только нарушают функционирование других потребителей, подключаемых параллельно с ИВЭП с БТВ к ЭА, но и нарушают работу самого источника. Форма напряжения на выходе ЭА при работе на ИВЭП с БТВ соизмеримой мощности становится трапецеидальной. Регулятор ЭА старается поддержать среднее значение этого напряжения на уровне среднего значения напряжения синусоидальной формы. В результате значительно возрастают токи намагничивания сетевых трансформаторов в сервисных источниках ИВЭП с БТВ, которые перегреваются и выходят из строя.

При импульсном потреблении тока также резко возрастает мощность искажений. Коэффициент мощности ИВЭП с БТВ не превышает значения 0,7. На стационарных объектах, где применяются десятки ПК с такими ИВЭП, из-за дополнительной мощности искажений приходится увеличивать мощность силового ввода. Например, для питания десяти автоматизированных рабочих мест с персональными компьютерами требуется мощность порядка 3 кВт. При этом от сети будет одновременно потребляться активная мощность 3 кВт и мощность искажения 1,5 кВА, которая по последствиям равна реактивной мощности. При этом должен быть установлен силовой ввод, рассчитанный на мощность 3,35 кВА. В США именно эта мощность учитывается при оплате электроэнергии автономного объекта.

Имеется еще одна причина, из-за которой потребляемый ток в стационарных объектах должен быть синусоидальным. В большинстве зданий проложен нейтральный провод меньшего сечения, чем фазный. При нагрузках с низким коэффициентом мощности нейтральный провод, в котором высшие гармоники суммируются, перегружается и сгорает.

По перечисленным причинам Международная электротехническая комиссия (МЭК) с 1992 года ввела стандарт 552-2, требующий обязательной коррекции коэффициента мощности (æ) для потребителей мощностью более 200 Вт.

Чтобы обеспечить синусоидальную форму потребляемого тока, на входе ИВЭП с БТВ устанавливают активные или пассивные корректоры коэффициента æ. Активные корректоры, построенные на основе транзисторных высокочастотных преобразователей, позволяют получить высокий коэффициент мощности (более 0,98) и имеют КПД от 96 до 98%. Но сложность активных корректоров снижает надежность и увеличивает стоимость ИВЭП в целом. Возрастают и радиопомехи. Поэтому необходимо исследовать пассивные корректоры, которые просты и надежны, так как состоят из одного дросселя и нескольких конденсаторов, а также привлекательны благодаря их низкой цене.

Рис. 1. Принципиальная схема корректора коэффициента мощности

По результатам оптимизации для расчета L и C могут быть рекомендованы следующие выражения:

Расчеты элементов корректора по соотношениям (1, 2) позволяют получить максимальный коэффициент æ, равный 0,98.

Контур LC настроен на третью гармонику 150 Гц с небольшой расстройкой (≈10%) с целью лучшей фильтрации высших гармоник.

Таблица 1. Данные расчета LC-корректоров на мощность 400, 800, 1200 Вт

В результате математического моделирования получены значения выходного напряжения моста U 0 для номинальной мощности Р ном и для 0,1×Р ном и определена форма входного тока (рис. 2). Все корректоры обеспечивают коэффициент мощности >0,98.

б) напряжение на выходе корректора мощности Рном

в) напряжение на выходе корректора мощности 0,1×Рном

Для дросселя L необходимо применять ленточные сердечники с зазором, так как ток основной гармоники является подмагничивающим для дросселя, фильтрующего третью гармонику, или торы с порошкообразными сердечниками. При создании опытного образца для дросселя использованы замкнутые магнитопроводы из многослойного железа фирмы EPCOS, у которых магнитная проницаемость постоянна в широком диапазоне изменений напряженности магнитного поля, а также перспективные конденсаторы MRP.

Таблица 2. Расчетные значения коэффициента мощности

Индуктивность L, мГн

Коэффициент мощности æ, %

Коэффициент гармоник Кг

Рис. 3. Корректор с защитой от перенапряжения

Устройство работает следующим образом. При номинальной мощности и при ее уменьшении до 30% напряжение на нагрузке не превышает расчетных значений. На входе источника подключен фильтр третьей гармоники, состоящий из дросселя L1, конденсаторов С1 и С2, которые соединены с нейтралью через включенный оптосиммистор V1.

При уменьшении мощности нагрузки ниже 30% от номинального значения напряжение на выходе моста М становится выше расчетного значения, а напряжение, поступающее со средней точки делителя R3, R4 на инверсный вход операционного усилителя ОУ2, выше, чем опорное напряжение на неинверсном входе операционного усилителя ОУ1, становится выше опорного напряжения на неинверсном входе, а его выходное напряжение близко к нулю. Ток через светодиод прекращается, выключается оптосиммистор V1 и отключает от дросселя конденсаторы С1 и С2.

Напряжение на выходе моста снижается, однако наличие гистерезисного сопротивления R2 в операционном усилителе ОУ2 препятствует его новому переключению. Отключение конденсаторов оправдано, так как при малых нагрузках требования к синусоидальности входного тока сетевых источников питания снижаются, и часто достаточно одного дросселя в фазном проводе, чтобы получить приемлемую форму входного тока.

При увеличении тока нагрузки растет падение напряжения на дросселе L1, напряжение на выходе моста еще более снижается. В результате вновь переключаются операционные усилители ОУ1, ОУ2, включается оптосиммистор V1, резонансные конденсаторы С1, С2 подсоединяются к дросселю L1, и входной ток становится близким к синусоидальному за счет фильтрации третьей гармоники.

Рассмотренные пассивные корректоры устанавливаются по требованию заказчика в блоки питания и источники бесперебойного питания ООО «АЭИЭП» (рис. 4).

Рис. 4.

а) Блок питания DG800

б) блок питания VZ1200

в) источник бесперебойного питания ИБП600

Таблица 3. Параметры блоков питания с корректорами.

Пассивные корректоры практически не уступают по габаритам и КПД активным, хотя в несколько раз тяжелее. Но следует учесть, что пассивные корректоры, в отличие от активных, не увеличивают уровни радиопомех, а, наоборот, подавляют их за счет корректирующего дросселя L1. Это позволяет использовать ИВЭП с БТВ и пассивными корректорами в медицине, технике, связи, измерительной и другой аппаратуре, где требуются низкие уровни помех.

Рис. 5. Трехфазный мост с фильтром С и LC

Но стоит поставить между трехфазным мостом и конденсатором С1 небольшую индуктивность L1, как коэффициент æ значительно повышается, что объясняется высокой эффективностью подавления 5 из 7 гармоник индуктивностью L1, реактивное сопротивление которой хL 1 = ω×L 1 растет с увеличением частоты. На рис. 6 представлена зависимость коэффициента мощности фазного тока от значения х*, где х* — нормированная величина реактивного сопротивления индуктивности L1:

Рис. 6. Зависимость коэффициента мощности фазного тока от значения x*

Судя по рис. 6, если значение х* близко к 0, то коэффициент мощности не превышает 0,7, а форма фазного тока сильно искажена (рис. 7а).

Рис. 7. Форма кривой фазной тока для трехфазного моста, работающего на емкость, с индуктивностью L1:

б) при х* = 2,25%, æ = 0,945

в) при х* = 2,25% для трехфазного традиционного ИВЭП с LС фильтром, æ = 0,945

На рис. 7 значения фазного тока iA нормированы относительно тока I 0 (i A * = i A /I 0 ).

Анализ показывает, что достаточно увеличить величину х* до 2,25%, как коэффициент æ повышается до значения 0,95. На рис. 7б показана форма фазного тока ИВЭП с БТВ, значение корректирующей индуктивности L1 которого посчитано по формуле:

Рис. 8. Внутреннее устройство в ИВЭП с БТВ мощностью 1 кВт (стрелкой показан дроссель L1)

Корректирующие дроссели устанавливаются в модулях КД 1200М, на базе которых выпускается блок питания «Береза М» (рис. 9) мощностью 2000 Вт, рассчитанный на трехфазную сеть 380 В без нулевого провода.

Рис. 9. Блок питания BR2000 («Береза М»)

Если предыдущий блок «Береза» подключался к трехфазной сети по цепи фаза-ноль и для получения синусоидального входного тока на входе каждого модуля устанавливался корректор массой ≈3,5 кг, то в блоке «Береза М» реализованы преимущества трехфазного подключения, и для получения такого же коэффициента æ на входе модуля необходим всего один дроссель с массой 0,8 кг.

Литература

В.Дьяконов, А.Ремнев, В.Смердов

Большинство современных источников питания РЭА представляют собой импульсные источники вторичного электропитания с бестрансформаторным мостовым выпрямителем и емкостным фильтром. Наряду с достоинствами (высокий КПД, хорошие массогабаритные показатели) они имеют сравнительно низкий коэффициент мощности (0,5. 0,7) и повышенный уровень гармоник потребляемого от сети тока (>30%). Форма тока, потребляемого такими источниками, показана на рис. 1 сплошными линиями.

Несинусоидальная форма тока приводит к возникновению электромагнитных помех, засоряющих сеть переменного тока, и сбою в работе другой РЭА.

В связи с этим все более ужесточаются требования по электромагнитной совместимости вторичных импульсных источников с питающей сетью и резко ограничивается уровень высших гармоник потребляемого от сети тока для всех однофазных потребителей. В настоящее время новые европейские стандарты требуют улучшения формы потребляемого тока только при мощностях потребителей свыше 200 Вт, а в ближайшее время эти требования будут введены и для потребителей с мощностью до 50. 70 Вт.

В настоящее время используют ся пассивная и активная коррекции формы потребляемого тока.

Пассивные цепи коррекции,состоящие из индуктивностей и емкостей, обеспечивают коэффициент мощности, который показывает отличие формы потребляемого тока от синусоиды (не хуже 0,9. 0,95). При конструктивной простоте и надежности пассивные цепи коррекции имеют относительно большие габариты и чувствительны к изменениям частоты питающего напряжения и величины тока нагрузки.

Более перспективным является использование активных КМ, которые формируют на входе импульсного источника питания синусоидальный потребляемый ток, совпадающий по фазе и частоте с питающим напряжением. Такие КМ имеют небольшие габариты за счет работы с частотами преобразования в несколько десятков килогерц и обеспечивают коэффициент мощности 0,95. 0,99.

Рассмотрим принцип работы активного КМ, реализованного на повышающем преобразователе со следящей ШИМ (рис. 2).

Вначале рассмотрим работу схемы КМ без узлов умножения (УМ) и датчика напряжения нагрузки (ДНН), роль которых описана ниже. Опорное напряжение синусоидальной формы, получаемое с датчика выпрямленного напряжения (ДВН), поступает на один из входов схемы управления (СУ) силовым ключом, реализованном на МДП-транзисторе VT. На второй вход СУ поступает сигнал, пропорциональный току ключа. Пока напряжение с ДВН больше напряжения, формируемого датчиком тока (ДТ), транзистор открыт и в индуктивности накапливается энергия (рис. 3 а). Диод VD на этом интервале (Tи) закрыт.

При равенстве сигналов, поступающих на СУ, ключ закрывается и энергия, накопленная в индуктивности, передается в нагрузку. После того, как за время tП ток в индуктивности спадет до нуля, снова включается транзистор. Частота переключений транзистора во много раз превышает частоту питающей сети, что позволяет существенно уменьшить размеры индуктивности. При этом за полупериод сетевого напряжения огибающая амплитудных значений тока индуктивности (рис. 3 б) изменяется по синусоидальному закону. Аналогично изменяется и среднее значение тока. В результате этого потребляемый ток имеет синусоидальную форму и совпадает по фазе с питающим напряжением.

Однако величина напряжения на нагрузке существенно зависит от изменений входного напряжения и тока нагрузки. Для стабилизации напряжения нагрузки в СУ дополнительно вводят цепь обратной связи по этому напряжению. Возможность получения синусоидальной формы потребляемого тока с одновременной стабилизацией напряжения нагрузки реализуется при помощи аналогового умножения (узел УМ) сигналов, поступающих с ДВН и с ДНН.
Полученный таким образом дополнительный сигнал в этом случае становится опорным напряжением для СУ.

Рассмотрим работу КМ на примере практической схемы, представленной на рис. 4. Схема управления реализована на специализированной микросхеме L6560, структурная схема которой приведена на рис. 5,

С резистивного делителя R6 R7 снимается сигнал обратной связи по выходному напряжению и подается на выв. 1. Для уменьшения влияния импульсных помех, возникающих в выходной цепи, между выв. 1 и 2 микросхемы включен интегрирующий конденсатор С3, емкость которого составляет сотни нанофарад.

На выходе КМ обязательно присутствует фильтрующий конденсатор С5, так как энергия в нагрузку передается импульсами. Емкость этого конденсатора, как правило,определяется из расчета 1,5. 2 мкФ на 1 Вт мощности в нагрузке.

В последнее время ведущими фирмами выпущено большое количество интегральных микросхем для СУ корректоров мощности. Такое количество микросхем связано с дополнительными функциями, которые они способны выполнять, хотя принцип построения КМ на этих микросхемах практически одинаков. К дополнительным функциям относятся:
. защита от перенапряжения при переходных процессах;
. защита от возникновения повторных запусков;
. защита от повреждения при запусках на замкнутую нагрузку;
. улучшение гармонического состава при переходе через нуль сетевого напряжения;
. блокировка при пониженном напряжении питания;
. защита от случайных выбросов входного напряжения.

Корректор мощности, как правило, не является самостоятельным устройством, а входит в состав импульсных источников питания. Для получения необходимых уровней и полярностей выходных напряжений такие источники питания содержат преобразователи. В связи с этим разработчики микросхем часто объединяют в одном корпусе два каскада схем управления: собственно для КМ, а также для преобразователя напряжения.

В табл. 2 приведены основные параметры микросхем управления различных фирм, предназначенных для вторичных импульсных источников питания с коррекцией мощности.

Основным критерием работы КМ является уровень выходного напряжения. При переменном напряжении питающей сети 220 В выходное напряжение КМ постоянно и должно составлять 340.360 В. Если напряжение менее 300 В, то это говорит о неисправности. Для дальнейшей проверки КМ необходим осциллограф. С его помощью прове ряют осциллограммы в характерных узлах КМ при номинальной нагрузке, в качестве которой может быть подключен эквивалентный резистор.

Напряжение на затворе транзистора. При исправной микросхеме ее выходное напряжение представляет собой прямоугольные импульсы высокой частоты, намного превышающей частоту сети. При исправном МДП-транзисторе разница в напряжении на выходе микросхемы и затворе транзистора практически равна нулю. Если затвор транзистора пробит, появляется разность этих напряжений в несколько вольт.

Напряжение на ДВН. Форма этого напряжения представляет собой выпрямленную синусоиду. При нормально работающем выпрямителе возможна неисправность резистивного делителя.

Для проверки самой микросхемы дополнительно необходим источник постоянного напряжения с регулировкой напряжения от 3 до 15 В. Это напряжение подается на входы цепи питания микросхемы при отключенном от сети КМ. При изменении напряжения регулируемого источника контролируется выходное напряжение микросхемы. Пока напряжение питания меньше 12..13 В, выходное напряжение равно нулю. При большем напряжении на выходе микросхемы появляется выходной сигнал с уровнем, отслеживающим питающее напряжение. При уменьшении питающего напряжения ниже 7 В этот выходной сигнал скачком уменьшается до нуля. При отсутствии такой закономерности весьма вероятно, что неисправна микросхема.

Литература
1. Бачурин В. В., Дьяконов В.П., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах. Справочник. М.: Радио и связь, 1994.
2. В.Дьяконов, А.Ремнев, В.Смердов. Особенности ремонта узлов радиоэлектронной аппаратуры на МДП-транзисторах. Ремонт&Сервис, 1999, № 11, с. 57-60.
[email protected]

А теперь к нашим баранам…

Зачем он нам вообще нужен этот ККМ?

Главное бедой «классического» выпрямителя с накопительным конденсаторов (это та штука, которая превращает 220В переменного тока в +308В постоянного тока), который работает от синусоидального тока является то, что этот самый конденсатор заряжается (берет энергию из сети) только в моменты, когда напряжение приложенное к нему больше чем на нем самом.

На человечьем языке, слабонервным и с научными степенями не читать

Стоит так же заметить, что исходя из описанного выше «правила» время, отведенное конденсатору на зарядку будет очень маленьким. У нас же ток изменяется по синусоидальному закону, а значит необходимое напряжение будет лишь на пиках синусоиды! Но конденсатору то работать надо, поэтому он нервничает и пытается зарядиться. Он знает законы физики в отличии от некоторых и «понимает», что времени мало и поэтому начинает в эти самые моменты, когда напряжение в пике, потреблять просто огромный ток. Ведь его должно хватить на работу устройства до наступления следующего пика.

Немного об этих «пиках»:

Поэтому наша задача сводится к обеспечению равномерного отбора энергии из сети, чтобы не перегружать сеть! Именно ККМ позволит нам реализовать данную задачу на практике.

Кто такой этот ваш ККМ?

Схемотехника нашего ККМ

Советую сразу обратить внимание на то, что схема в даташите рассчитана на 120 Вт, а значит нам следует ее адаптировать под наши 3 кВт и запредельные напряжения работы.

Теперь немного документации к описанному выше:
Даташит на L6561

Данное решение позволяет нам обеспечит нашему ИБП еще и функцию стабилизатора напряжения! Для многих такой диапазон покажется избыточным и тогда они могут выполнить данный модуль с учетом напряжения питания 220В +- 15%. Это считается нормой и 90% устройств в ценовой категории до 40 тыс. руб вообще лишены ККМ, а 10% используют его лишь с расчетом отклонений не более 15%. Это бесспорно позволяет несколько снизить себестоимость и габариты, но если вы еще не забыли, то мы делаем устройство, которое обязано потягаться с АРС!

Поэтому для себя я решил выбрать самый правильный вариант и сделать не убиваемый танк, который сможет вытянуть даже на даче, где 100В в сети сварочный аппарат или насос в скважине:

Адаптация стандартной схемотехники под наши задачи

Б) Мы видим конденсатор С1, можно взять хитрую формулу и посчитать необходимую емкость и я советую тем, кто хочет вникнуть это сделать, за одно вспомнив электротехнику 2 курса с любого политеха. Но я этим заниматься не буду, т.к. по собственным наблюдениям из старых расчетов помню, что до 10 кВт данная емкость растет почти линейно относительно роста мощности. То есть взяв в расчет 1 мкФ на 100 Вт, мы получим, что для 3000 Вт нам необходимо 30 мкФ. Данная емкость легко набирается из 7 пленочных конденсаторов по 4,7 мкФ и 400В каждый. Даже немного с запасом, ведь емкость конденсатора сильно зависит от приложенного напряжения.

В) Силовой транзистор нам понадобится серьезный, т.к. ток потребляемый от сети будет вычислять так:

Учитывая, что в цепи есть индуктивность, то я предпочту IGBT транзистор, ибо наиболее живучие. Предельный ток надо надо выбирать для поиска сначала около 100А, т.к. это ток при 25 о С, с ростом температуры предельный коммутируемый ток транзистора снижается.

Немного о Cree FET

Тут наблюдаем заветные цифры, которые показывают нам, что при 125 о С и транзистор и диод спокойно осилят токи чуть более 60А, при этом мы сможем реализовать преобразование на частоте в 25 кГц без каких либо проблем и ограничений.

Силовой дроссель и его расчет

В данном модуле мы будем использовать опять таки наши любимые тороидальные кольца из распыленного железа, но только в этот раз не одно, а сразу 10! А как вы хотели? 3 кВт это вам не китайские поделки…

Фильтр синфазных помех

Чтобы понять чем различаются схемы для данной фильтра на токи в 3А (упомянутый выше компьютерный БП) и на токи 20А, вы можете сравнить схемку из гугла на АТХ со следующей:

4) Конденсаторы С28 и С31 по 0,047 мкФ и 1 кВ и их обязательно ставить класса «Y2».

По расчету индуктивности дросселей:

1) Индуктивность синфазного индуктора должна составлять 3,2-3,5 мГн

2) Индуктивность для дифференциальных дросселей рассчитывается по формуле:

Эпилог

Моей целью в данной статье было как раз показать процесс расчета с возможностью корректирования исходных данных, чтобы каждый определившись с параметрами для своих задач уже сам посчитал и изготовил модуль. Надеюсь мне удалось показать это и в следующей статье я продемонстрирую совместную работу ККМ и зарядного устройства из части №5.

На рынке персональных компьютеров становится все больше и больше блоков питания со встроенными корректорами мощности. Они выполнены с использованием различных интегральных микросхем, и поэтому имеют разные схемы построения, хотя общие принципы схемотехники (о которых рассказывалось в предыдущей публикации), практически, одинаковы. Поэтому, рассмотрев всего лишь одну микросхему, а именно, UCC3818, мы получим хорошее представление об архитектуре большинства контроллеров коррекции мощности.

Микросхема UCC3818 относится к семейству контроллеров коррекции мощности, к которому принадлежат еще и такие контроллеры, как UCC2817, UCC2818 и UCC3817. Различие между контроллерами этого семейства заключается в разных диапазонах рабочих температур и разных значениях напряжений UVLO (напряжения включения и напряжения выключения микросхемы). Микросхемы семейства являются ШИМ-контроллерами, выполняющими все функции, необходимые для активной коррекции коэффициента мощности. Контроллеры позволяют доводить значения коэффициент мощности почти до единицы путем формирования необходимой формы входного тока, в зависимости от параметров входного переменного напряжения. Контроллеры семейства работают в режиме среднего тока, в результате чего обеспечивается стабильность входного тока и малые искажения синусоидальности сетевого тока.

Контроллеры UCC x817/x818 имеют следующие основные особенности:

— обеспечивают управление повышающим преобразователем;

— ограничивают искажения, вносимые в питающую сеть;

— обеспечивают модуляцию передней кромки импульса тока;

— позволяют работать с любым переменным напряжением, использующимся в любых странах мира;

— обеспечивают защиту от превышения напряжения;

— обеспечивают ограничение потребляемой мощности на заданном уровне;

— работают в режиме среднего тока;

— обеспечивают улучшенное подавление шумов;

— имеют улучшенный алгоритм опережающего управления;

— имеют типовое значение пускового тока, равное 150 мкА;

— созданы с использованием маломощной технологии BiCMOS.

Контролеры семейства разработаны в компании Texas Instrument»s и обладают малым значением пускового тока и низким уровнем потребляемой мощности. В контроллерах используется технология модуляции передней кромки импульса тока, т.е. длительность рабочего цикла регулируется путем изменения времени начала заряда сглаживающего конденсатора (а не временем прекращения зарядного тока). Данная технология позволяет уменьшить величину пульсаций на сглаживающем конденсаторе, устанавливаемом на выходе корректора мощности, что, в итоге, приводит к уменьшению габаритов этого конденсатора, а, следовательно, и к снижению его стоимости и стоимости всей схемы.

Усилитель тока имеет малое входное смещение (2 мВ), что позволяет уменьшать искажения тока в условиях малой нагрузки.

Рис.1 Архитектура ШИМ-контроллера семейства UCC3818

Блок-схема ШИМ-контроллеров UCCx817/x818 представлена на рис.1. Предельные значения основных параметров микросхем представлены в табл.1.

Источник

• ← Что такое корректор коэффициент мощности
• Что такое корректор функционального состояния →